Những thách thức nào liên quan đến sản xuất SiC?

SiC được sử dụng rộng rãi trong xe điện (EV) cho bộ biến tần lực kéo và bộ sạc tích hợp, cũng như trong các ứng dụng cơ sở hạ tầng như bộ sạc nhanh DC, bộ biến tần năng lượng mặt trời, hệ thống lưu trữ năng lượng và nguồn điện liên tục (UPS). Mặc dù được sử dụng trong sản xuất hàng loạt trong hơn một thế kỷ—ban đầu là vật liệu mài mòn—SiC cũng đã chứng tỏ hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng điện áp cao và năng lượng cao.

Xét về mặt tính chất vật lý,cacbua silicthể hiện độ dẫn nhiệt cao, tốc độ trôi electron bão hòa cao và điện trường đánh thủng cao (như trong Hình 1). Kết quả là, các hệ thống dựa trên cacbua silic có thể giảm đáng kể tổn thất năng lượng và đạt được tốc độ chuyển mạch nhanh hơn trong quá trình vận hành. So với các thiết bị MOSFET silicon và IGBT truyền thống, cacbua silic có thể mang lại những lợi thế này ở kích thước nhỏ hơn, mang lại hiệu suất cao hơn và hiệu suất vượt trội.

Hình 1: Đặc điểm của vật liệu silicon và vùng cấm rộng

Hoạt động của cacbua silic có thể vượt quá giới hạn củasilic, với tần số hoạt động cao hơn tần số hoạt động của IGBT silicon và nó cũng có thể tăng cường đáng kể mật độ năng lượng.

Hình 2: SiC và Si

Cơ hội làm gìcacbua silicHiện tại?

Đối với các nhà sản xuất, cacbua silic được coi là một lợi thế cạnh tranh đáng kể. Nó không chỉ mang lại cơ hội xây dựng các hệ thống tiết kiệm năng lượng mà còn giảm kích thước, trọng lượng và chi phí tổng thể của các hệ thống này một cách hiệu quả. Điều này là do các hệ thống sử dụng cacbua silic thường tiết kiệm năng lượng hơn, nhỏ gọn và bền hơn so với các hệ thống dựa trên silicon, cho phép các nhà thiết kế cắt giảm chi phí bằng cách giảm kích thước của các bộ phận thụ động. Cụ thể hơn, do thiết bị SiC sinh nhiệt thấp hơn, nhiệt độ vận hành có thể được duy trì thấp hơn nhiệt độ của các giải pháp truyền thống, như trong Hình 3. Điều này giúp nâng cao hiệu suất hệ thống đồng thời tăng độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Hình 3: Ưu điểm của ứng dụng cacbua silic

Trong giai đoạn thiết kế và sản xuất, việc áp dụng các công nghệ liên kết chip mới, chẳng hạn như thiêu kết, có thể tạo điều kiện tản nhiệt hiệu quả hơn và đảm bảo độ tin cậy của kết nối. So với các thiết bị silicon, thiết bị SiC có thể hoạt động ở điện áp cao hơn và cung cấp tốc độ chuyển mạch nhanh hơn. Những ưu điểm này cho phép các nhà thiết kế suy nghĩ lại về cách tối ưu hóa chức năng ở cấp hệ thống đồng thời nâng cao khả năng cạnh tranh về chi phí. Hiện nay, nhiều thiết bị hiệu suất cao đang sử dụng công nghệ SiC, bao gồm điốt silicon cacbua, MOSFET và mô-đun.

So với vật liệu silicon, hiệu suất vượt trội của SiC mở ra triển vọng rộng lớn cho các ứng dụng mới nổi. Các thiết bị SiC thường được thiết kế cho điện áp không dưới 650V và đặc biệt trên 1200V, SiC trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều ứng dụng. Các ứng dụng như bộ biến tần năng lượng mặt trời, trạm sạc EV và chuyển đổi AC sang DC công nghiệp dự kiến ​​sẽ dần chuyển sang công nghệ SiC. Một lĩnh vực ứng dụng khác là máy biến áp thể rắn, trong đó các máy biến áp đồng và từ tính hiện có sẽ dần được thay thế bằng công nghệ SiC, mang lại hiệu quả và độ tin cậy cao hơn trong truyền tải và chuyển đổi điện năng.

Những thách thức sản xuất làm gìcacbua silicKhuôn mặt?

Mặc dù cacbua silic có tiềm năng thị trường rộng lớn nhưng quá trình sản xuất nó cũng phải đối mặt với một số thách thức. Ban đầu, độ tinh khiết của nguyên liệu thô—cụ thể là hạt hoặc bột SiC—phải được đảm bảo. Theo đó, việc sản xuất các thỏi SiC có độ ổn định cao (như được mô tả trong Hình 4) đòi hỏi phải tích lũy kinh nghiệm ở mọi giai đoạn xử lý tiếp theo để đảm bảo độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng (như được hiển thị trong Hình 5).

Một thách thức duy nhất của SiC là nó không có pha lỏng, nghĩa là nó không thể phát triển bằng phương pháp nấu chảy truyền thống. Sự phát triển của tinh thể phải xảy ra dưới áp lực được kiểm soát chính xác, khiến việc sản xuất SiC phức tạp hơn silicon. Nếu duy trì được tính ổn định trong môi trường nhiệt độ cao và áp suất thấp, SiC sẽ phân hủy trực tiếp thành chất khí mà không trải qua pha lỏng.

Do đặc điểm này, sự phát triển của tinh thể SiC thường sử dụng kỹ thuật thăng hoa hoặc vận chuyển hơi vật lý (PVT). Trong quá trình này, bột SiC được đặt trong nồi nấu kim loại bên trong lò nung và nung ở nhiệt độ cao (trên 2200°C). Khi SiC thăng hoa, nó kết tinh trên tinh thể mầm để tạo thành tinh thể. Một phần quan trọng của phương pháp tăng trưởng PVT là tinh thể hạt, có đường kính tương tự như phôi. Đáng chú ý, tốc độ tăng trưởng của quá trình PVT rất chậm, khoảng 0,1 đến 0,5 mm mỗi giờ.

Hình 4: Bột cacbua silic, thỏi và tấm bán dẫn

Do độ cứng cực cao của SiC so với silicon nênbánh xốpquá trình sản xuất cũng phức tạp hơn. SiC là một vật liệu đặc biệt cứng nên khó cắt ngay cả bằng cưa kim cương, độ cứng khiến nó khác biệt với nhiều vật liệu bán dẫn khác. Mặc dù hiện nay có một số phương pháp để cắt thỏi thành tấm bán dẫn, nhưng những phương pháp này có thể tạo ra các khuyết tật trong tinh thể đơn lẻ, ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu cuối cùng.

Hình 5: Quy trình sản xuất cacbua silic từ nguyên liệu thô đến sản phẩm cuối cùng

Hơn nữa, việc sản xuất SiC quy mô lớn cũng gặp phải những thách thức. SiC vốn có nhiều khuyết điểm hơn so với silicon. Quá trình pha tạp của nó rất phức tạp và việc sản xuất các tấm wafer SiC có kích thước lớn, ít khuyết tật sẽ dẫn đến chi phí sản xuất và xử lý cao hơn. Do đó, việc thiết lập một quy trình phát triển hiệu quả và nghiêm ngặt ngay từ đầu là rất quan trọng để đảm bảo sản xuất ổn định các sản phẩm chất lượng cao.

Hình 6: Những thách thức - Tấm silicon cacbua và khuyết tật

Chúng tôi ở Semicorex chuyên vềThan chì phủ SiC/TaCgiải pháp ứng dụng trong sản xuất chất bán dẫn SiC, nếu bạn có thắc mắc hoặc cần thêm thông tin chi tiết, vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Điện thoại liên hệ: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com