Nombre Parcourir:0 auteur:山川 publier Temps: 2024-08-29 origine:新型陶瓷
Les matériaux en carbure de silicium comprennent principalement les monocristaux et les céramiques 2 catégories, que ce soit sous forme de monocristal ou de céramique, les matériaux en carbure de silicium sont devenus l'un des matériaux clés des semi-conducteurs, des véhicules à énergie nouvelle, du photovoltaïque et d'autres trois milliards de pistes. Par exemple:
en termes de monocristal, le carbure de silicium, en tant que matériau semi-conducteur de troisième génération le plus mature à l'heure actuelle, peut être décrit comme le matériau semi-conducteur le plus chaud de ces dernières années. Surtout dans le contexte de la stratégie « double carbone », le carbure de silicium est profondément lié aux industries d'économie d'énergie et de réduction des émissions de carbone telles que les véhicules à énergie nouvelle, le photovoltaïque, le stockage d'énergie, etc.
Dans la céramique, le carbure de silicium avec son excellente résistance à haute température, sa dureté élevée, son module d'élasticité élevé, sa résistance élevée à l'usure, sa conductivité thermique élevée, sa résistance à la corrosion et d'autres propriétés, ces dernières années avec les nouvelles industries des véhicules énergétiques, des semi-conducteurs, du photovoltaïque et d'autres industries à prendre et la demande a fait irruption, profondément dans les maillons clés de la chaîne industrielle de ces domaines émergents.
Aujourd'hui, dans le domaine des monocristaux et de la céramique, nous examinons comment les matériaux en carbure de silicium dans ces pistes chaudes sont une grande tuerie.
Monocristal/semi-conducteur
Sortez de nulle part pour répondre aux besoins de performances des dispositifs à base de silicium difficiles à satisfaire
Le silicium est depuis longtemps le matériau le plus couramment utilisé pour fabriquer des puces semi-conductrices, et plus de 90 % des produits semi-conducteurs sont actuellement constitués de silicium comme substrat. La raison en est que la réserve de silicium est importante, que le coût est relativement faible et que la préparation est relativement simple. Cependant, l'application du silicium dans le domaine de l'optoélectronique et des dispositifs haute fréquence et haute puissance a été entravée, et les performances du silicium à haute fréquence sont médiocres et il ne convient pas aux scénarios d'application haute tension. Ces limitations ont rendu de plus en plus difficile pour les dispositifs d'alimentation à base de silicium de répondre aux besoins de haute puissance et de performances haute fréquence des dispositifs dans des applications émergentes telles que les véhicules à énergies nouvelles et les trains à grande vitesse.
Dans ce contexte, le carbure de silicium est sur le devant de la scène. Comparé aux matériaux semi-conducteurs de première et deuxième génération, le SiC possède une série d'excellentes propriétés physiques et chimiques, en plus de la largeur de bande interdite, mais possède également un champ électrique de claquage élevé, une vitesse électronique de saturation élevée, une conductivité thermique élevée, une densité électronique élevée et caractéristiques de mobilité élevées. Le champ électrique de claquage critique du SiC est 10 fois supérieur à celui du Si et 5 fois supérieur à celui du GaAs, ce qui améliore la capacité de tension, la fréquence de fonctionnement et la densité de courant des dispositifs à base de SiC, et réduit les pertes en cas de perte des dispositifs. Associé à une conductivité thermique supérieure à celle du Cu, l'appareil n'a pas besoin de dispositif de dissipation thermique supplémentaire lorsqu'il est utilisé, ce qui réduit le volume de l'ensemble de la machine. De plus, les dispositifs SiC ont des pertes marche-arrêt extrêmement faibles et peuvent maintenir de très bonnes performances électriques à très hautes fréquences. Par exemple, passer d'un système à trois niveaux basé sur des dispositifs Si à un système à deux niveaux basé sur SiC peut augmenter l'efficacité de 96 % à 97,6 % et réduire la consommation d'énergie jusqu'à 40 %. Par conséquent, les dispositifs SiC présentent de grands avantages dans les scénarios d’application à faible consommation d’énergie, de miniaturisation et à haute fréquence.
Les dispositifs en carbure de silicium sont devenus le « gâteau » recherché par les secteurs chauds tels que les véhicules à énergies nouvelles et le photovoltaïque.
(1) Véhicules à énergies nouvelles
Le matériau en carbure de silicium peut rendre le volume de l'appareil de plus en plus petit, et les performances s'améliorent de plus en plus, c'est pourquoi ces dernières années, les constructeurs de véhicules électriques l'ont favorisé. Il y a cinq ans, Tesla a pris les devants en utilisant du carbure de silicium sur l'onduleur d'entraînement principal modèle 3, ouvrant ainsi le premier système de carbure de silicium « sur la voiture ». Après cela, BYD, Geely, SAIC Volkswagen, NIO et d'autres constructeurs automobiles ont accéléré la configuration, augmenté la puissance pour améliorer l'autonomie, atteindre une charge ultra rapide, réaliser les fonctions V2G, etc., et la croissance continue des ventes de véhicules électriques a également conduit à la demande du marché pour les dispositifs électriques en carbure de silicium, déclenchant une « chaleur automobile » au carbure de silicium qui se poursuit encore aujourd'hui.
De plus, dans les chargeurs de véhicules, l'utilisation de carbure de silicium peut obtenir une fréquence de commutation FSW plus rapide, un rendement plus élevé, un fonctionnement bidirectionnel, des composants passifs plus petits, une taille de système plus petite et des coûts de système inférieurs. Par conséquent, à l'heure actuelle, selon les caractéristiques des dispositifs en carbure de silicium et la tendance de développement des véhicules électriques, les dispositifs en carbure de silicium ou les futurs véhicules électriques constituent le choix inévitable.
(2) Transport ferroviaire
Par rapport aux IGBT traditionnels à base de silicium, les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium peuvent augmenter efficacement la fréquence de commutation et réduire la perte de commutation, et leur haute fréquence peut réduire davantage le bruit, la température, le volume et le poids des dispositifs passifs, améliorer la mobilité et la flexibilité des applications de dispositifs, qui constituent la direction principale du développement d'une nouvelle génération de technologie d'onduleur de traction. À l'heure actuelle, les dispositifs SiC ont été utilisés dans les systèmes de transport ferroviaire urbain, et le train 0312 de la ligne 3 du chemin de fer de Suzhou est le premier projet de système de traction à entraînement direct à aimant permanent basé sur la technologie de convertisseur SiC en Chine, atteignant l'objectif d'une économie d'énergie de traction de 20 %. En 2012, la ligne Tokyo Metro Ginza a réalisé le premier test de fonctionnement de chargement d'un dispositif SiC au monde. Depuis 2015, le Japon a commencé à adopter un grand nombre de dispositifs SiC sur les véhicules ferroviaires et, d'ici 2021, il est entré dans la phase d'application généralisée.
Train de métro à entraînement direct à aimant permanent en carbure de silicium
(3) production d'énergie photovoltaïque
Dans les applications de production d'énergie photovoltaïque, le coût des onduleurs traditionnels basés sur des dispositifs à base de silicium représente environ 10 % du système, mais il constitue l'une des principales sources de perte d'énergie du système. Après plus de 40 ans de développement, l’efficacité de conversion et la densité de puissance des dispositifs à base de silicium se sont rapprochés des limites théoriques. L'utilisation de matériaux en carbure de silicium peut augmenter l'efficacité de conversion de 96 % à plus de 99 %, réduire la consommation d'énergie de plus de 50 % et augmenter la durée de vie de l'équipement de 50 fois. Par exemple, dans les onduleurs string pour les systèmes photovoltaïques des installations résidentielles et commerciales, les dispositifs en carbure de silicium apportent des avantages en termes de coûts et de performances au niveau du système. Les principales sociétés d'onduleurs photovoltaïques telles que Solar Power ont appliqué des dispositifs en carbure de silicium à leurs onduleurs en série.
(4) Réseau intelligent
L'interrupteur d'alimentation en carbure de silicium, en raison de sa résistance à l'état ouvert extrêmement faible et peut être appliqué à des occasions à haute pression, haute température et haute fréquence, est un remplacement idéal pour les dispositifs à base de silicium, si l'utilisation d'un module d'alimentation en carbure de silicium, par rapport au En utilisant un dispositif d'alimentation en silicium, la perte de puissance causée par la perte de commutation peut être réduite de plus de 5 fois, le volume et le poids réduits de 40 %, cela aura un impact significatif sur la future forme du réseau électrique et l'ajustement de la stratégie énergétique.
(5) Installations de communication sans fil
Le développement de la 5G a favorisé la croissance de la demande de dispositifs au nitrure de gallium à base de silicium, et l'espace de marché est vaste. Dans les appareils RF à micro-ondes, les amplificateurs de puissance déterminent directement des paramètres clés tels que la distance de communication sans fil et la qualité du signal entre les terminaux mobiles et les stations de base, et les fonctionnalités de communication 5G telles que la haute fréquence, la vitesse élevée et la puissance élevée ont des exigences plus élevées en matière de performances. Les dispositifs RF au nitrure de gallium avec du carbure de silicium comme substrat présentent les avantages d'une conductivité thermique élevée du carbure de silicium et d'une sortie RF haute puissance du nitrure de gallium dans la bande haute fréquence, et leurs applications dans les amplificateurs de puissance peuvent répondre aux exigences de la communication 5G pour des performances haute fréquence et capacité de traitement de puissance élevée.
Paris en capital, le carbure de silicium dans l'hiver des semi-conducteurs
Dans le cycle baissier de l'industrie des semi-conducteurs, ce n'est pas un son sombre, le carbure de silicium est un contre-exemple du malaise. Ces dernières années, le marché des capitaux s'est fortement préoccupé du carbure de silicium.
En 2021, un certain nombre d'entreprises de carbure de silicium ont gagné la faveur des institutions d'investissement et ont annoncé la finalisation du financement, et l'industrie a également suscité une vague de financement.
2022 est aussi une année d’investissement et de financement dans le carbure de silicium. Selon des statistiques incomplètes, le montant annuel des investissements, des financements et des fusions et acquisitions en 2022 a dépassé 3,3 milliards de yuans, et ce nombre a atteint plus de 30. Rien qu'en décembre 2022, il y a eu sept dossiers de financement, dont Zhen Drive Technology, le noyau de Poly Energy. , Technologie Yiwen, Zhanxin Electronics, Nansha Wafer, etc.
Juste après le premier semestre 2023, le montant du financement des entreprises de carbure de silicium a atteint un nouveau sommet au cours des trois dernières années. Au premier trimestre de cette année, un total de 21 financements dans le domaine du carbure de silicium, y compris l'épitaxie, les substrats, les matériaux, les équipements, les dispositifs électriques... Le financement couvre la quasi-totalité de la chaîne industrielle nationale du carbure de silicium. Parmi ces 21 entreprises, outre certaines entreprises qui n'ont pas divulgué le montant du financement, 10 entreprises ont reçu plus de 100 millions de yuans de financement, soit environ 50% du total. Parmi eux, le financement le plus important est Tianyu Semiconductor, qui s'élève à 1,2 milliard. Au deuxième trimestre de cette année, il y a eu plus de dix financements, pour un montant total de plus de 5 milliards de yuans.
La construction d’usines et l’expansion de la production ne se sont pas arrêtées
Les données montrent qu'au premier semestre, les projets d'expansion liés au carbure de silicium et les dépenses d'investissement attendues totalisent plus de 100 milliards de yuans (convertis en RMB), le contenu de l'expansion étant principalement autour du substrat, épitaxie et dispositifs, et la direction d'application est principalement basée sur les véhicules électriques.
En janvier de cette année, le groupe allemand Bosch a publié une nouvelle majeure à Suzhou : investir 1 milliard de dollars supplémentaires pour construire des composants de base de véhicules à énergie nouvelle et un projet de R&D et de fabrication de conduite autonome, le contenu de production comprenant des modules d'alimentation en carbure de silicium. Puis, en avril, Bosch a décidé d'acheter le fabricant de semi-conducteurs TSI Semiconductors et d'investir 1,5 milliard de dollars supplémentaires pour développer la production de semi-conducteurs de troisième génération afin de répondre à la demande du marché des véhicules électriques.
En février de cette année, Wolfspeed, un fabricant américain de semi-conducteurs, a officiellement annoncé son intention de construire l'usine de fabrication de dispositifs en carbure de silicium la plus grande et la plus avancée au monde dans la Sarre, en Allemagne. L'usine sera la plus grande usine de semi-conducteurs de huit pouces au monde, utilisant un processus de fabrication innovant pour produire des dispositifs en carbure de silicium de nouvelle génération.
Dans le même temps, l’expansion de la production nationale de carbure de silicium ne s’est pas arrêtée.
En juin de cette année, SAN'an Optoelectronics et stmicroelectronics ont annoncé conjointement que les deux parties avaient l'intention d'investir 3,2 milliards de dollars (environ 22,8 milliards de yuans) pour construire une fonderie de puces épitaxiales en carbure de silicium de 8 pouces. Dans le même temps, SAN'an Optoelectronics établira une usine de substrats en carbure de silicium de 8 pouces comme installation de soutien, avec un investissement total estimé à 7 milliards de yuans. En outre, Tianke Heda, Han Tiantian, Tianyue Advanced et d'autres sociétés ont annoncé leurs nouveaux plans d'investissement et d'expansion.
Aspect céramique
Céramiques, les matériaux céramiques courants sont le carbure de silicium, l'alumine, le nitrure de silicium, etc., qui sont des matériaux en carbure de silicium en raison de leur module d'élasticité très élevé, de leur conductivité thermique et de leur faible coefficient de dilatation thermique, il n'est pas facile de produire une déformation par contrainte de flexion, une déformation thermique et autres caractéristiques, comme d'excellentes céramiques structurelles et des matériaux à haute température, dans les domaines du lithium, des semi-conducteurs, du photovoltaïque et d'autres domaines ont été de plus en plus d'applications.
Un matériau populaire pour les composants de précision des équipements semi-conducteurs tels que les machines de lithographie
La céramique est un composant clé des principaux équipements semi-conducteurs tels que les machines de gravure, les révélateurs de revêtement, les machines de lithographie et les machines d'implantation ionique, et son coût représente plus de 10 % du coût des équipements semi-conducteurs. Parmi eux, les céramiques de carbure de silicium sont largement utilisées dans les équipements de traitement de l'avant vers l'arrière de la fabrication de semi-conducteurs, comme dans les ventouses de meulage et de polissage, les ventouses lithographiques, les ventouses de détection, les plates-formes de mouvement de précision, les pièces en carbure de silicium de haute pureté de la gravure. lien, systèmes de mouvement de précision dans l'emballage et lien de détection, etc., qui sont extrêmement importants.
(1) Dans la machine de lithographie
Dans les machines de lithographie haut de gamme, afin d'obtenir une précision de processus élevée, il est nécessaire d'utiliser largement des pièces en céramique avec un bon composé fonctionnel, une bonne stabilité structurelle, une stabilité thermique et une précision dimensionnelle, telles que le mandrin électronique, le mandrin à vide, le bloc, magnétique plaque de refroidissement par eau à cadre en acier, miroir, rail de guidage, etc. À cet égard, les céramiques en carbure de silicium sont adéquates.
(2) Dans les équipements de gravure
Dans l'équipement de gravure, le plasma, par action physique et réaction chimique, provoquera une grave corrosion sur la surface du dispositif de l'équipement, d'une part pour raccourcir la durée de vie des pièces, réduire les performances de l'équipement, d'autre part, les produits de réaction générés pendant le processus de corrosion se volatiliseront et tomberont, et produiront des particules d'impuretés dans la chambre de traitement, affectant la propreté de la chambre. Par conséquent, la résistance à la gravure plasma de la cavité et des matériaux qui la composent devient très importante.
Le SiC en tant que matériau de cavité de machine de gravure, comparé au quartz, le matériau lui-même produit moins de pollution par les impuretés, en raison de propriétés mécaniques plus excellentes, lors du bombardement par plasma de sa surface atomique, le taux de perte atomique est relativement faible, a rapporté Mitsui un matériau composite SiC comme matériau de cavité de machine de gravure à l'air, avec une résistance élevée à la corrosion.
En termes de composants de bague de focalisation, leur rôle est de fournir un plasma équilibré, nécessitant une conductivité similaire à celle des plaquettes de silicium. Le matériau utilisé dans le passé était principalement du silicium conducteur, mais le plasma contenant du fluor réagissait avec le silicium pour former du fluorure de silicium volatil, ce qui réduisait considérablement sa durée de vie, entraînant un remplacement fréquent des composants et une efficacité de production réduite. Le SiC et le Si monocristallin ont une conductivité similaire et une meilleure résistance à la gravure au plasma, et peuvent être utilisés comme matériau d'anneau de focalisation.
En tant que consommable clé du matériau semi-conducteur dans la gravure au plasma, l'anneau de gravure SiC a des exigences de pureté élevées. Généralement, seul le processus CVD peut être utilisé pour faire croître des blocs de couche épaisse de SiC, puis il est préparé par usinage de précision, principalement pour la préparation du processus de gravure de semi-conducteurs.
Four à céramique de carbure de silicium - 'travailleurs dans les coulisses' du frittage de matériaux électriques au lithium
En tant que nouvelle branche énergétique, il n’est pas nécessaire de décrire la quantité de lithium actuellement brûlée. Matériau d'anode de batterie au lithium-ion, matériau d'anode et séchage d'électrolyte, frittage et traitement thermique et autres processus, le four à rouleaux est un équipement de production continu clé, les meubles de four sont les accessoires clés du four, son recyclage de four industriel, utilisé pour soutenir ou protéger le produits brûlés de produits réfractaires, entraînés par l'expansion positive des matériaux, l'application des meubles de four s'est élargie. Le four céramique en carbure de silicium avec ses excellentes propriétés mécaniques à haute température, sa résistance au feu et sa résistance aux chocs thermiques utilisés dans le four en céramique, peut améliorer la capacité de production du four, réduire considérablement la consommation d'énergie, devenir une variété de matériaux de four dans le choix idéal de matériaux de four.
Industrie photovoltaïque - Matériaux clés des véhicules dans le processus de production des cellules
Parmi les céramiques de carbure de silicium, le support de bateau en carbure de silicium est devenu un bon choix pour les matériaux clés des véhicules dans le processus de production de cellules photovoltaïques, et sa demande sur le marché est de plus en plus préoccupée par l'industrie.
À l'heure actuelle, les supports de bateau en quartz, les coffres de bateau, les raccords de tuyauterie, etc. couramment utilisés sont limités par les sources nationales et internationales de sable de quartz de haute pureté, avec une petite capacité de production, et dans le contexte de la demande croissante de fours monocristallins. creuset dans la partie supérieure de l'industrie photovoltaïque et consommables de support de batterie au silicium dans la partie intermédiaire, le sable de quartz de haute pureté présente les caractéristiques d'une offre et d'une demande serrées et d'un fonctionnement à long terme à prix élevé. En tant que dispositif transportant du silicium dans le processus de production de cellules photovoltaïques, le support à quartz a des performances stables, mais il va à l'encontre des normes de sélection de consommables de haute qualité et à bas prix.
Par rapport aux matériaux à quartz, aux matériaux en carbure de silicium constitués de supports de bateau, de caisses de bateau, de produits de tuyauterie et d'autres bonnes stabilité thermique, utilisation à haute température sans déformation, aucune précipitation nocive de polluants, en tant qu'excellent matériau alternatif pour les produits à quartz, la durée de vie peut atteindre plus d'un an, peut réduire considérablement l'utilisation des coûts et les pertes de lignes de maintenance et de réparation causées par la production, les avantages en termes de coûts sont évidents. En tant que véhicule, il a de larges perspectives d'application dans le domaine photovoltaïque.
À l'heure actuelle, le taux de pénétration du photovoltaïque dans les principales économies du monde continue d'augmenter, sous l'impulsion des orientations politiques nationales et de la demande du marché. Le coût de l'électricité de l'industrie photovoltaïque étant considérablement réduit, la production d'énergie photovoltaïque est devenue l'énergie électrique la plus économique au monde, selon l'AIE. Selon les prévisions, la capacité photovoltaïque installée entre 2020 et 2030 augmentera à un TCAC de 21 % pour atteindre près de 5 TW. La part du photovoltaïque dans la puissance installée mondiale passera de 9,5 % à 33,2 %.
La forte demande installée du terminal continue de stimuler la forte demande de cellules de batterie, de promouvoir l'augmentation de la demande de support de bateau en carbure de silicium et de remplacement de boîte de bateau dans l'industrie photovoltaïque, devrait être d'ici 2025 l'industrie des semi-conducteurs et du photovoltaïque avec une structure en céramique de carbure de silicium représentait 62%, dont le L’industrie photovoltaïque avec des céramiques à structure en carbure de silicium passera de 6 % à 26 % en 2022, devenant ainsi le domaine à la croissance la plus rapide.
Bref résumé
Nous voyons que le carbure de silicium, que ce soit en tant que matériau monocristallin ou en tant que matériau céramique, a occupé une position très importante dans la chaîne industrielle des semi-conducteurs, des batteries au lithium, du photovoltaïque et d'autres industries les plus populaires aujourd'hui, et ses trois industries sont plus que 100 milliards de circuits à l'échelle du marché, et ces industries se développent à grande vitesse, on peut prédire que le matériau en carbure de silicium de demain sera un bien.
