Desafíos na fabricación de SiC: pureza do po, uniformidade dos lingotes de cristal e máis aló

Entre os moitos materiais semicondutores de banda prohibida ampla, carburo de silicioO SiC (SiC) converteuse nun material que atraeu moita atención, especialmente no campo da conversión de alta potencia. Úsase amplamente en inversores de tracción e cargadores a bordo para vehículos eléctricos (VE), así como en sectores de infraestruturas como a carga rápida de CC, os inversores solares, os sistemas de almacenamento de enerxía e as fontes de alimentación ininterrompida (SAI). Aínda que carburo de silicio leva máis de cen anos utilizándose na produción en masa, inicialmente principalmente como material abrasivo, pero tamén demostrou un excelente rendemento para aplicacións de alta tensión e alta potencia.

En termos de propiedades físicas, o carburo de silicio ten unha alta condutividade térmica, unha alta velocidade de deriva de electróns saturados e un alto campo eléctrico de ruptura (como se mostra na Figura 1). Como resultado, os sistemas baseados en carburo de silicio poden funcionar con perdas de enerxía significativamente reducidas e velocidades de conmutación máis rápidas. En comparación cos MOSFET e dispositivos IGBT de silicio tradicionais, o carburo de silicio é capaz de conseguir estas vantaxes nun tamaño máis pequeno, con maior eficiencia e un rendemento máis forte.

Figura 1:Propiedades do silicio e dos materiais con banda prohibida ampla

As oportunidades que presenta o carburo de silicio

Para os fabricantes, o carburo de silicio considérase unha importante vantaxe competitiva, que ofrece a oportunidade de construír sistemas enerxeticamente eficientes e, ao mesmo tempo, reducir eficazmente o tamaño, o peso e o custo do sistema en xeral. Isto débese a que os sistemas con carburo de silicio son xeralmente máis eficientes enerxeticamente, compactos e duradeiros que os sistemas baseados en silicio, e os deseñadores poden reducir os custos ao reducir o tamaño dos compoñentes pasivos. Máis concretamente, Dispositivo de carburo de siliciopoden funcionar a temperaturas máis baixas que as solucións tradicionais para aplicacións específicas debido á súa menor xeración de calor (como se mostra na Figura 2).Isto permite que o carburo de silicio mellore a eficiencia do sistema, á vez que mellora a fiabilidade e prolonga a vida útil dos equipos.

Fig.2: Vantaxes das aplicacións do carburo de silicio

No proceso de deseño e fabricación, a adopción de novas tecnoloxías de conexión de chips, como a tecnoloxía de sinterización, pode axudar a disipar a calor de forma máis eficiente e garantir a fiabilidade da conexión. Os dispositivos de carburo de silicio son capaces de funcionar a voltaxes máis altas e ofrecen velocidades de conmutación máis rápidas en comparación cos dispositivos de silicio. Estes beneficios permiten aos deseñadores repensar como optimizar a funcionalidade a nivel de sistema e mellorar a competitividade dos prezos. Actualmente, moitos dispositivos de alto rendemento adoptaron a tecnoloxía de carburo de silicio, incluídos os díodos de carburo de silicio. MOSFET de carburo de silicios e módulos de carburo de silicio.

En comparación cos materiais de silicio, as propiedades superiores do carburo de silicio abren perspectivas prometedoras para aplicacións emerxentes. Os dispositivos de carburo de silicio adoitan estar deseñados con voltaxes non inferiores a 650 V, especialmente superiores a 1200 V, o que fai que o carburo de silicio sexa a mellor opción para moitas aplicacións. Aplicacións como os inversores solares, as pilas de carga de vehículos eléctricos e a conversión industrial de CA a CC irán cambiando gradualmente á tecnoloxía de carburo de silicio no futuro. Outra área de aplicación son os transformadores de estado sólido, onde os transformadores de cobre e magnéticos existentes serán substituídos gradualmente pola tecnoloxía de carburo de silicio, o que achegará unha maior eficiencia e fiabilidade á transmisión e conversión de enerxía.

Os desafíos presentados polo carburo de silicio

Malia o seu vasto potencial de mercado, o carburo de silicio enfróntase a numerosos desafíos no seu proceso de fabricación. En primeiro lugar, débese garantir a pureza das materias primas (é dicir, gránulos de carburo de silicio ou po de carburo de silicio). A isto séguelle a xeración de lingotes de carburo de silicio con alta consistencia (como se mostra na Figura 3) e a acumulación de experiencia en cada paso de procesamento posterior para garantir a fiabilidade do produto final (como se mostra na Figura 4).

Un dos desafíos únicos do carburo de silicio é que non ten unha fase líquida, polo que os cristais non se poden cultivar mediante métodos de fusión tradicionais. O crecemento dos cristais debe levarse a cabo baixo unha presión controlada con precisión, o que fai que a fabricación do carburo de silicio sexa máis complexa que a do silicio. Se permanece estable en ambientes de alta e baixa presión, o carburo de silicio descompoñerase directamente en substancias gasosas sen pasar por procesos de fase líquida. Debido a esta propiedade, os cristais de carburo de silicio adoitan cultivarse mediante técnicas de sublimación ou transferencia física de vapor (PVT).

Neste proceso, o po de carburo de silicio colócase nun crisol nun forno e quéntase a altas temperaturas (máis de 2200 °C). Cando o carburo de silicio se sublima, cristaliza na semente e forma cristais. A parte clave do crecemento de cristais mediante o método PVT é a semente, que ten un diámetro similar ao do lingote. É importante ter en conta que a velocidade de crecemento do PVT é moi lenta, aproximadamente de 0,1 a 0,5 mm por hora.

Figura 3:Po de carburo de silicio, lingotes e obleas de cristal

O proceso de fabricación de obleas volveuse máis complicado debido á dureza extremadamente alta do carburo de silicio en comparación co silicio. O carburo de silicio é un material extremadamente duro que é difícil de cortar mesmo cunha serra de diamante, e esta dureza é moi diferente á de moitos outros materiais semicondutores. Aínda que existen varios métodos dispoñibles na actualidade para cortar o lingote en obleas, estes métodos a miúdo poden introducir defectos no monocristal, o que afecta á calidade final do material.

Fig. 4: O proceso de fabricación de carburo de silicio desde as materias primas ata o produto final

Ademais, a produción a escala de carburo de silicio tamén se enfronta a varios desafíos. En comparación co silicio, o carburo de silicio ten máis defectos inherentes. O seu proceso de dopaxe é moi complexo e a produción de obleas de gran tamaño con menos defectos implica custos de fabricación e procesamento máis elevados. Polo tanto, establecer un proceso de desenvolvemento eficiente e rigoroso desde o principio é crucial para garantir a produción de produtos de alta calidade consistente.

Fig. 5: Desafíos: obleas de carburo de silicio e defectos