numero Sfoglia:0 Autore:山川 Pubblica Time: 2024-08-29 Origine:新型陶瓷
I materiali in carburo di silicio comprendono principalmente le categorie monocristallo e ceramica 2, sia come cristallo singolo che ceramica, i materiali in carburo di silicio sono diventati uno dei materiali chiave di semiconduttori, veicoli di nuova energia, fotovoltaico e altri tre miliardi di binari. Per esempio:
in termini di cristallo singolo, il carburo di silicio, in quanto materiale semiconduttore di terza generazione più maturo attualmente, può essere descritto come il materiale semiconduttore più caldo degli ultimi anni. Soprattutto nel contesto della strategia del 'doppio carbonio', il carburo di silicio è profondamente legato alle industrie di risparmio energetico e di riduzione del carbonio come i veicoli a nuova energia, il fotovoltaico, lo stoccaggio dell'energia e così via.
Nella ceramica, il carburo di silicio con la sua eccellente resistenza alle alte temperature, elevata durezza, elevato modulo elastico, elevata resistenza all'usura, elevata conduttività termica, resistenza alla corrosione e altre proprietà, negli ultimi anni con i nuovi veicoli energetici, semiconduttori, fotovoltaico e altre industrie da adottare si è spento e la domanda è esplosa, coinvolgendo profondamente gli anelli chiave della catena industriale di questi settori emergenti.
Oggi, rispettivamente dalla direzione dei cristalli singoli e della ceramica, osserviamo come i materiali in carburo di silicio in questi percorsi caldi siano una grande uccisione.
Singolo cristallo/semiconduttore
Sono nati dal nulla per risolvere le esigenze prestazionali dei dispositivi basati su silicio che sono difficili da soddisfare
Il silicio è stato per lungo tempo il materiale più comunemente utilizzato per la produzione di chip semiconduttori e attualmente oltre il 90% dei prodotti a semiconduttori sono realizzati in silicio come substrato. Il motivo è che la riserva di silicio è elevata, il costo è relativamente basso e la preparazione è relativamente semplice. Tuttavia, l'applicazione del silicio nel campo dell'optoelettronica e dei dispositivi ad alta potenza e ad alta frequenza è stata ostacolata e le prestazioni del silicio alle alte frequenze sono scarse e non sono adatte a scenari applicativi ad alta tensione. Queste limitazioni hanno reso sempre più difficile per i dispositivi di potenza basati sul silicio soddisfare le esigenze di prestazioni ad alta potenza e ad alta frequenza dei dispositivi in applicazioni emergenti come i veicoli a nuova energia e le ferrovie ad alta velocità.
In questo contesto, il carburo di silicio è entrato sotto i riflettori. Rispetto ai materiali semiconduttori di prima e seconda generazione, il SiC ha una serie di eccellenti proprietà fisiche e chimiche, oltre all'ampiezza del gap di banda, ma ha anche un campo elettrico ad alta rottura, un'elevata velocità degli elettroni di saturazione, un'elevata conduttività termica, un'elevata densità di elettroni e caratteristiche di elevata mobilità. Il campo elettrico di rottura critico del SiC è 10 volte quello del Si e 5 volte quello del GaAs, il che migliora la capacità di tensione, la frequenza operativa e la densità di corrente dei dispositivi basati su SiC e riduce le perdite di funzionamento dei dispositivi. Grazie alla maggiore conduttività termica rispetto al Cu, il dispositivo non necessita di un ulteriore dispositivo di dissipazione del calore quando utilizzato, riducendo il volume dell'intera macchina. Inoltre, i dispositivi SiC hanno perdite on-off estremamente basse e possono mantenere ottime prestazioni elettriche a frequenze molto elevate. Ad esempio, il passaggio da uno schema a tre livelli basato su dispositivi Si a uno schema a due livelli basato su SiC può aumentare l’efficienza dal 96% al 97,6% e ridurre il consumo energetico fino al 40%. Pertanto, i dispositivi SiC presentano grandi vantaggi in termini di basso consumo energetico, miniaturizzazione e scenari applicativi ad alta frequenza.
I dispositivi al carburo di silicio sono diventati la 'torta' perseguita da percorsi caldi come i veicoli a nuova energia e il fotovoltaico.
(1) Veicoli a nuova energia
Il materiale in carburo di silicio può rendere il volume del dispositivo sempre più piccolo e le prestazioni stanno migliorando sempre di più, quindi negli ultimi anni i produttori di veicoli elettrici lo hanno favorito. Cinque anni fa, Tesla ha preso l'iniziativa di utilizzare il carburo di silicio sull'inverter principale modello 3, introducendo il primo carburo di silicio 'sull'auto'. Successivamente, BYD, Geely, SAIC Volkswagen, NIO e altre case automobilistiche hanno accelerato il layout, aumentato la potenza migliorando l'autonomia, ottenendo una ricarica super veloce, ottenendo funzioni V2G, ecc., e anche la continua crescita delle vendite di veicoli elettrici ha portato alla domanda del mercato di dispositivi di potenza al carburo di silicio, innescando un 'calore automobilistico' al carburo di silicio che continua ancora oggi.
Inoltre, nei caricabatterie per veicoli, l'uso del carburo di silicio può ottenere una frequenza di commutazione più rapida FSW, maggiore efficienza, funzionamento bidirezionale, componenti passivi più piccoli, dimensioni del sistema più piccole e costi di sistema inferiori. Pertanto, attualmente, a seconda delle caratteristiche dei dispositivi in carburo di silicio e della tendenza di sviluppo dei veicoli elettrici, i dispositivi in carburo di silicio o i futuri veicoli elettrici sono la scelta inevitabile.
(2) Transito ferroviario
Rispetto ai tradizionali IGBT a base di silicio, i dispositivi di potenza al carburo di silicio possono aumentare efficacemente la frequenza di commutazione e ridurre la perdita di commutazione, e la sua alta frequenza può ridurre ulteriormente il rumore, la temperatura, il volume e il peso dei dispositivi passivi, migliorare la mobilità e la flessibilità di applicazioni dei dispositivi, che è la direzione di sviluppo principale di una nuova generazione di tecnologia degli inverter di trazione. Attualmente, i dispositivi SiC sono stati applicati nei sistemi di trasporto ferroviario urbano e il treno 0312 della linea ferroviaria di Suzhou 3 è il primo progetto di sistema di trazione a trazione diretta a magnete permanente basato sulla tecnologia del convertitore SiC in Cina, raggiungendo l'obiettivo del 20% di risparmio energetico di trazione. Nel 2012, la linea Ginza della metropolitana di Tokyo ha effettuato il primo test di funzionamento del caricamento del dispositivo SiC al mondo. Dal 2015, il Giappone ha iniziato ad adottare un gran numero di dispositivi SiC sui veicoli ferroviari ed entro il 2021 è entrato nella fase di applicazione diffusa.
Tutto il treno della metropolitana a trazione diretta con magnete permanente in carburo di silicio
(3) produzione di energia fotovoltaica
Nelle applicazioni di generazione di energia fotovoltaica, il costo degli inverter tradizionali basati su dispositivi a base di silicio rappresenta circa il 10% del sistema, ma è una delle principali fonti di perdita di energia del sistema. Dopo oltre 40 anni di sviluppo, l'efficienza di conversione e la densità di potenza dei dispositivi basati sul silicio hanno raggiunto i limiti teorici. L'uso di materiali in carburo di silicio può aumentare l'efficienza di conversione dal 96% a oltre il 99%, ridurre il consumo energetico di oltre il 50% e aumentare la durata del ciclo di vita dell'apparecchiatura di 50 volte. Ad esempio, negli inverter di stringa per impianti fotovoltaici in strutture residenziali e commerciali, i dispositivi in carburo di silicio apportano vantaggi in termini di costi e prestazioni a livello di sistema. Le principali aziende di inverter fotovoltaici come Solar Power hanno applicato dispositivi in carburo di silicio ai loro inverter di serie.
(4) Rete intelligente
L'interruttore di alimentazione al carburo di silicio, grazie alla sua resistenza allo stato aperto estremamente bassa e può essere applicato ad alta pressione, alta temperatura e alta frequenza, è un sostituto ideale per i dispositivi a base di silicio, se si utilizza il modulo di alimentazione al carburo di silicio, rispetto al Utilizzando un dispositivo di alimentazione al silicio, la perdita di potenza causata dalla perdita di commutazione può essere ridotta di oltre 5 volte, il volume e il peso ridotti del 40%, avrà un impatto significativo sulla futura forma della rete elettrica e sull'adeguamento della strategia energetica.
(5) Strutture di comunicazione wireless
Lo sviluppo del 5G ha promosso la crescita della domanda di dispositivi al nitruro di gallio a base di silicio e lo spazio di mercato è ampio. Nei dispositivi RF a microonde, gli amplificatori di potenza determinano direttamente parametri chiave come la distanza di comunicazione wireless e la qualità del segnale tra terminali mobili e stazioni base, mentre le caratteristiche di comunicazione 5G come alta frequenza, alta velocità e alta potenza hanno requisiti più elevati per le sue prestazioni. I dispositivi RF al nitruro di gallio con carburo di silicio come substrato presentano i vantaggi dell'elevata conduttività termica del carburo di silicio e dell'uscita RF ad alta potenza del nitruro di gallio nella banda ad alta frequenza e le loro applicazioni negli amplificatori di potenza possono soddisfare i requisiti della comunicazione 5G per prestazioni ad alta frequenza e capacità di elaborazione ad alta potenza.
Scommesse capitali, carburo di silicio nell'inverno dei semiconduttori
Nel ciclo di ribasso dell'industria dei semiconduttori, non è un suono cupo, il carburo di silicio è un controesempio del malessere. Negli ultimi anni, il mercato dei capitali è stato fortemente preoccupato per il carburo di silicio.
Nel 2021, numerose imprese di carburo di silicio hanno conquistato il favore degli istituti di investimento e hanno annunciato il completamento dei finanziamenti, e anche il settore ha suscitato un'ondata di finanziamenti.
Il 2022 è anche un anno di investimenti e finanziamenti nel carburo di silicio. Secondo statistiche incomplete, l'importo annuo di investimenti, finanziamenti, fusioni e acquisizioni nel 2022 ha superato i 3,3 miliardi di yuan e il numero ha raggiunto più di 30. Solo nel dicembre 2022, ci sono stati sette casi di finanziamento, tra cui Zhen Drive Technology, core Poly Energy , Tecnologia Yiwen, Elettronica Zhanxin, Nansha Wafer, ecc.
Subito dopo la prima metà del 2023, l’importo dei finanziamenti alle imprese di carburo di silicio ha raggiunto un nuovo massimo negli ultimi tre anni. Nel primo trimestre di quest'anno, un totale di 21 finanziamenti nel campo del carburo di silicio, tra cui epitassia, substrati, materiali, attrezzature, dispositivi di potenza... I finanziamenti coprono quasi l'intera catena industriale nazionale del carburo di silicio. Tra queste 21 imprese, oltre ad alcune imprese che non hanno comunicato l'importo del finanziamento, 10 imprese hanno ricevuto più di 100 milioni di yuan di finanziamenti, pari a circa il 50% del totale. Tra questi, il finanziamento più grande è Tianyu Semiconductor, che ammonta a 1,2 miliardi. Nel secondo trimestre di quest'anno ci sono stati più di 10 finanziamenti, per un importo totale di oltre 5 miliardi di yuan.
La costruzione di fabbriche e l’espansione della produzione non si sono fermate
I dati mostrano che nella prima metà dell'anno, i progetti di espansione relativi al carburo di silicio e le spese in conto capitale previste ammontano a un importo totale di oltre 100 miliardi di yuan (convertiti in RMB), il contenuto dell'espansione riguarda principalmente il substrato, epitassia e dispositivi, e la direzione di applicazione si basa principalmente su veicoli elettrici.
Nel gennaio di quest'anno, il gruppo tedesco Bosch ha diffuso un'importante notizia a Suzhou: investire un altro miliardo di dollari per costruire nuovi componenti principali di veicoli energetici e un progetto di ricerca e sviluppo e base di produzione per la guida autonoma, il contenuto di produzione include moduli di potenza in carburo di silicio. Ad aprile, Bosch ha deciso di acquistare il produttore di semiconduttori TSI Semiconductors e di investire altri 1,5 miliardi di dollari per espandere la produzione di semiconduttori di terza generazione e soddisfare la domanda del mercato dei veicoli elettrici.
Nel febbraio di quest'anno, Wolfspeed, un produttore americano di semiconduttori, ha annunciato ufficialmente l'intenzione di costruire lo stabilimento di produzione di dispositivi in carburo di silicio più grande e avanzato al mondo a Saarland, in Germania. L'impianto sarà il più grande impianto di semiconduttori da otto pollici al mondo e utilizzerà un processo di produzione innovativo per produrre dispositivi in carburo di silicio di prossima generazione.
Allo stesso tempo, l’azione di espansione della produzione nazionale di carburo di silicio non si è fermata.
Nel giugno di quest'anno, SAN 'an Optoelectronics e stmicroelectronics hanno annunciato congiuntamente che le due parti intendono investire 3,2 miliardi di dollari (circa 22,8 miliardi di yuan) per costruire una fonderia di chip epitassiali in carburo di silicio da 8 pollici. Allo stesso tempo, SAN 'an Optoelectronics creerà una fabbrica di substrati di carburo di silicio da 8 pollici come struttura di supporto, con un investimento totale stimato di 7 miliardi di yuan. Inoltre, Tianke Heda, Han Tiantian, Tianyue Advanced e altre società hanno annunciato i loro nuovi piani di investimento ed espansione.
Aspetto ceramico
Ceramica, i materiali ceramici comuni sono carburo di silicio, allumina, nitruro di silicio, ecc., che sono materiali in carburo di silicio a causa del suo modulo elastico molto elevato, conduttività termica e basso coefficiente di dilatazione termica, non è facile produrre deformazione da sollecitazione di flessione, deformazione termica e altro caratteristiche, come eccellenti ceramiche strutturali e materiali ad alta temperatura, nel litio, nei semiconduttori, nel fotovoltaico e in altri campi hanno trovato sempre più applicazioni.
Un materiale popolare per componenti di precisione di apparecchiature a semiconduttore come le macchine litografiche
La ceramica è un materiale componente chiave nelle principali apparecchiature per semiconduttori come macchine per incisione, sviluppatore di rivestimenti, macchine per litografia, macchine per impiantazione ionica e il suo costo rappresenta oltre il 10% del costo delle apparecchiature per semiconduttori. Tra questi, le ceramiche al carburo di silicio sono ampiamente utilizzate nelle apparecchiature di processo dalla parte anteriore a quella posteriore della produzione di semiconduttori, come ventose di molatura e lucidatura, ventose litografiche, ventose di rilevamento, piattaforme di movimento di precisione, parti in carburo di silicio ad alta purezza dell'incisione collegamento, sistemi di movimento di precisione nel collegamento di imballaggio e rilevamento, ecc., che sono estremamente importanti.
(1) Nella macchina litografica
Nelle macchine litografiche di fascia alta, per ottenere un'elevata precisione del processo, è necessario utilizzare ampiamente parti in ceramica con buon composto funzionale, stabilità strutturale, stabilità termica, precisione dimensionale, come E-chuck, Vacumm-chuck, Block, magnetico piastra di raffreddamento ad acqua con telaio in acciaio, specchio, binario di guida, ecc. A questo proposito, la ceramica al carburo di silicio è adeguata.
(2) Nelle attrezzature per l'incisione
Nelle apparecchiature di incisione, il plasma attraverso l'azione fisica e la reazione chimica causerà una grave corrosione sulla superficie dell'apparecchiatura, da un lato per ridurre la durata delle parti, ridurre le prestazioni dell'apparecchiatura, dall'altro, i prodotti di reazione generati durante il processo di corrosione si volatilizzeranno e cadranno e produrranno particelle di impurità nella camera di processo, compromettendo la pulizia della camera. Pertanto, la resistenza all'attacco al plasma della cavità e dei materiali che la compongono diventa molto importante.
Il SiC come materiale per cavità di una macchina per incisione, rispetto al quarzo, il materiale stesso produce meno inquinamento da impurità, a causa di proprietà meccaniche più eccellenti, nel bombardamento al plasma della sua superficie atomica, il tasso di perdita atomica è relativamente piccolo, Mitsui ha riportato un materiale composito SiC come materiale per cavità per macchine per incisione ad aria, con elevata resistenza alla corrosione.
In termini di componenti dell'anello di focalizzazione, il loro ruolo è quello di fornire un plasma bilanciato, che richiede una conduttività simile a quella dei wafer di silicio. Il materiale utilizzato in passato era principalmente silicio conduttivo, ma il plasma contenente fluoro reagiva con il silicio per formare fluoruro di silicio volatile, riducendone notevolmente la durata, con conseguente frequente sostituzione dei componenti e ridotta efficienza produttiva. Il SiC e il Si monocristallino hanno conduttività simile e migliore resistenza all'attacco al plasma e possono essere utilizzati come materiale per l'anello di focalizzazione.
Essendo il principale materiale di consumo del materiale semiconduttore nell'incisione al plasma, l'anello di incisione SiC ha requisiti di elevata purezza. Generalmente, solo il processo CVD può essere utilizzato per far crescere blocchi a strato spesso di SiC, e quindi viene preparato mediante lavorazione meccanica di precisione, principalmente per la preparazione del processo di attacco dei semiconduttori.
Forno per ceramica al carburo di silicio - 'lavoratori dietro le quinte' della sinterizzazione di materiali elettrici al litio
Trattandosi di un nuovo ramo energetico, non è necessario descrivere la quantità di litio attualmente bruciata. Materiale anodico della batteria agli ioni di litio, materiale anodico ed essiccazione dell'elettrolita, sinterizzazione e trattamento termico e altri processi, il forno a rulli è un'attrezzatura chiave per la produzione continua, i mobili del forno sono gli accessori chiave del forno, il suo riciclaggio del forno industriale, utilizzato per supportare o proteggere il prodotti bruciati di prodotti refrattari, spinti dall'espansione positiva dei materiali, l'applicazione dei mobili del forno è stata ampliata. Il forno per ceramica al carburo di silicio con le sue eccellenti proprietà meccaniche alle alte temperature, resistenza al fuoco e resistenza agli shock termici utilizzati nel forno per ceramica, può migliorare la capacità produttiva del forno, ridurre notevolmente il consumo energetico, diventare una varietà di materiali per forno nella scelta ideale dei materiali per forno.
Industria fotovoltaica: materiali chiave nel processo di produzione delle celle
Tra le ceramiche al carburo di silicio, la staffa per barche in carburo di silicio è diventata una buona scelta per i materiali chiave dei veicoli nel processo di produzione di celle fotovoltaiche, e la sua domanda di mercato è stata sempre più preoccupata dal settore.
Allo stato attuale, i supporti per barche al quarzo, le scatole per barche, i raccordi per tubi, ecc. comunemente usati sono limitati da fonti nazionali e internazionali di sabbia di quarzo di elevata purezza, con una capacità di produzione ridotta e nel contesto della crescente domanda di forni monocristallini crogiolo nella parte superiore dell'industria fotovoltaica e materiali di consumo per portabatterie al silicio nella parte centrale, la sabbia di quarzo ad elevata purezza ha le caratteristiche di domanda e offerta limitate e di funzionamento a prezzi elevati a lungo termine. Essendo un dispositivo che trasporta il silicio nel processo di produzione delle celle fotovoltaiche, il vettore di quarzo ha prestazioni stabili, ma va contro lo standard di selezione dei materiali di consumo di alta qualità e prezzo basso.
Rispetto ai materiali al quarzo, ai materiali in carburo di silicio costituiti da supporti per barche, scatole per barche, prodotti per tubi e altri prodotti con buona stabilità termica, uso ad alta temperatura senza deformazioni, nessuna precipitazione dannosa di sostanze inquinanti, come eccellente materiale alternativo per i prodotti al quarzo, la durata può raggiungere più di 1 anno, può ridurre significativamente i costi di utilizzo e la perdita di linea di manutenzione e riparazione causata dalla produzione, i vantaggi in termini di costi sono evidenti. Come veicolo ha un'ampia prospettiva di applicazione nel campo fotovoltaico.
Attualmente, il tasso di penetrazione del fotovoltaico nelle principali economie mondiali continua ad aumentare, spinto dalle linee guida politiche nazionali e dalla domanda del mercato, con il costo dell'elettricità del settore fotovoltaico significativamente ridotto, la produzione di energia fotovoltaica è diventata l'energia più economica al mondo, secondo l'IEA Secondo le previsioni, la capacità installata fotovoltaica nel periodo 2020-2030 crescerà a un CAGR del 21% fino a sfiorare i 5 TW. La quota del fotovoltaico sulla potenza installata globale aumenterà dal 9,5% al 33,2%.
La forte domanda installata di terminali continua a guidare l'elevata domanda di celle batteria, promuove l'aumento della domanda di staffe per barche in carburo di silicio dell'industria fotovoltaica e sostituzione di scatole per barche, si prevede che nel 2025 l'industria dei semiconduttori e fotovoltaica con ceramica con struttura in carburo di silicio rappresenterà il 62%, di cui il l’industria fotovoltaica con ceramiche con struttura in carburo di silicio aumenterà dal 6% al 26% nel 2022, diventando l’area in più rapida crescita.
Breve riassunto
Vediamo che il materiale in carburo di silicio, sia come materiale monocristallino che come materiale ceramico, ha occupato oggi una posizione molto importante nella catena industriale dei semiconduttori, delle batterie al litio, del fotovoltaico e di altre industrie più popolari, e le sue tre industrie sono più di Circuito su scala di mercato di 100 miliardi, e queste industrie stanno crescendo ad alta velocità, si può prevedere che il materiale in carburo di silicio domani sarà un bene.
