Anzahl Durchsuchen:0 Autor:山川 veröffentlichen Zeit: 2024-08-29 Herkunft:新型陶瓷
Siliziumkarbid-Materialien umfassen hauptsächlich Einkristalle und Keramiken. Ob als Einkristall oder Keramik, Siliziumkarbid-Materialien sind zu einem der Schlüsselmaterialien für Halbleiter, neue Energiefahrzeuge, Photovoltaik und andere drei Milliarden Gleise geworden. Zum Beispiel:
In Bezug auf Einkristalle kann Siliziumkarbid als derzeit ausgereiftestes Halbleitermaterial der dritten Generation als das heißeste Halbleitermaterial der letzten Jahre bezeichnet werden. Insbesondere im Kontext der „Dual-Carbon“-Strategie ist Siliziumkarbid eng mit Industrien zur Energieeinsparung und CO2-Reduzierung wie Fahrzeugen mit neuer Energie, Photovoltaik, Energiespeicherung usw. verbunden.
In der Keramik wird Siliziumkarbid mit seiner hervorragenden Hochtemperaturfestigkeit, seiner hohen Härte, seinem hohen Elastizitätsmodul, seiner hohen Verschleißfestigkeit, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, seiner Korrosionsbeständigkeit und anderen Eigenschaften in den letzten Jahren mit neuen Energiefahrzeugen, Halbleitern, Photovoltaik und anderen Industriezweigen eingesetzt Die Nachfrage brach aus und die Nachfrage brach bis tief in die Schlüsselglieder der Industriekette dieser aufstrebenden Bereiche aus.
Heute schauen wir uns aus der Richtung von Einkristallen und Keramik an, wie Siliziumkarbidmaterialien in diesen heißen Bahnen eine große Tötung darstellen.
Einkristall/Halbleiter
Kommen Sie aus dem Nichts, um die Leistungsanforderungen siliziumbasierter Geräte zu erfüllen, die schwer zu erfüllen sind
Silizium ist seit langem das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von Halbleiterchips und mehr als 90 % der Halbleiterprodukte bestehen derzeit aus Silizium als Substrat. Der Grund dafür ist, dass die Siliziumreserve groß, die Kosten relativ niedrig und die Herstellung relativ einfach ist. Die Anwendung von Silizium im Bereich der Optoelektronik und Hochfrequenz-Hochleistungsgeräte wurde jedoch behindert, und die Leistung von Silizium bei hohen Frequenzen ist schlecht und es ist nicht für Hochspannungsanwendungsszenarien geeignet. Diese Einschränkungen machen es für siliziumbasierte Leistungsgeräte immer schwieriger, die hohen Leistungs- und Hochfrequenzleistungsanforderungen von Geräten in neuen Anwendungen wie Fahrzeugen mit neuer Energie und Hochgeschwindigkeitszügen zu erfüllen.
In diesem Zusammenhang ist Siliziumkarbid ins Rampenlicht gerückt. Im Vergleich zu den Halbleitermaterialien der ersten und zweiten Generation weist SiC neben der Bandlückenbreite eine Reihe hervorragender physikalischer und chemischer Eigenschaften auf, weist aber auch ein hohes elektrisches Durchbruchfeld, eine hohe Sättigungselektronengeschwindigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Elektronendichte usw. auf hohe Mobilitätseigenschaften. Das kritische elektrische Durchbruchfeld von SiC ist zehnmal so groß wie das von Si und fünfmal so groß wie das von GaAs, was die Spannungskapazität, Betriebsfrequenz und Stromdichte von SiC-basierten Geräten verbessert und den Einschaltverlust von Geräten reduziert. In Verbindung mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als Cu benötigt das Gerät bei Verwendung keine zusätzliche Wärmeableitungsvorrichtung, wodurch das Volumen der gesamten Maschine reduziert wird. Darüber hinaus weisen SiC-Geräte äußerst geringe Ein-Aus-Verluste auf und können bei sehr hohen Frequenzen eine sehr gute elektrische Leistung aufrechterhalten. Beispielsweise kann der Wechsel von einem dreistufigen Schema auf Basis von Si-Geräten zu einem zweistufigen Schema auf Basis von SiC den Wirkungsgrad von 96 % auf 97,6 % steigern und den Stromverbrauch um bis zu 40 % senken. Daher bieten SiC-Geräte große Vorteile in Anwendungsszenarien mit geringem Stromverbrauch, Miniaturisierung und Hochfrequenz.
Siliziumkarbid-Geräte sind zum „Kuchen“ geworden, der von heiß begehrten Branchen wie Fahrzeugen mit neuer Energie und Photovoltaik verfolgt wird.
(1) Fahrzeuge mit neuer Energie
Siliziumkarbidmaterial kann das Gerätevolumen immer kleiner machen und die Leistung wird immer besser, weshalb es in den letzten Jahren von Herstellern von Elektrofahrzeugen bevorzugt wurde. Vor fünf Jahren übernahm Tesla die Führung bei der Verwendung von Siliziumkarbid im Hauptantriebswechselrichter des Model 3 und eröffnete damit das erste Siliziumkarbid „im Auto“. Danach beschleunigten BYD, Geely, SAIC Volkswagen, NIO und andere Automobilhersteller das Layout, erhöhten die Leistung, verbesserten die Reichweite, erreichten superschnelles Laden, erreichten V2G-Funktionen usw. und führten auch zum kontinuierlichen Wachstum des Elektrofahrzeugabsatzes der Marktnachfrage nach Siliziumkarbid-Stromversorgungsgeräten gerecht zu werden und eine Siliziumkarbid-„Autohitze“ in Gang zu setzen, die bis heute anhält.
Darüber hinaus kann die Verwendung von Siliziumkarbid in Fahrzeugladegeräten eine schnellere Schaltfrequenz FSW, einen höheren Wirkungsgrad, einen Zwei-Wege-Betrieb, kleinere passive Komponenten, eine kleinere Systemgröße und niedrigere Systemkosten ermöglichen. Daher sind Siliziumkarbid-Geräte oder zukünftige Elektrofahrzeuge derzeit je nach den Eigenschaften von Siliziumkarbid-Geräten und dem Entwicklungstrend von Elektrofahrzeugen die unvermeidliche Wahl.
(2) Schienenverkehr
Im Vergleich zu herkömmlichen IGBTs auf Siliziumbasis können Siliziumkarbid-Leistungsgeräte die Schaltfrequenz effektiv erhöhen und den Schaltverlust reduzieren. Durch ihre Hochfrequenz können Geräusche, Temperatur, Lautstärke und Gewicht passiver Geräte weiter reduziert und die Mobilität und Flexibilität verbessert werden Geräteanwendungen, was die Hauptentwicklungsrichtung einer neuen Generation der Traktionswechselrichtertechnologie ist. Derzeit werden SiC-Geräte in städtischen Schienenverkehrssystemen eingesetzt, und der Zug 0312 der Suzhou-Eisenbahnlinie 3 ist das erste Permanentmagnet-Traktionssystemprojekt mit Direktantrieb auf Basis der SiC-Wandlertechnologie in China, das das Ziel einer Traktionsenergieeinsparung von 20 % erreicht. Im Jahr 2012 führte die Tokyo Metro Ginza Line den weltweit ersten SiC-Geräte-Belastungstest durch. Seit 2015 hat Japan damit begonnen, eine große Anzahl von SiC-Geräten in Schienenfahrzeugen einzuführen, und bis 2021 ist das Stadium der weitverbreiteten Anwendung erreicht.
Vollständige Siliziumkarbid-Permanentmagnet-U-Bahn mit Direktantrieb
(3) Photovoltaik-Stromerzeugung
Bei Photovoltaik-Stromerzeugungsanwendungen machen die Kosten herkömmlicher Wechselrichter auf Siliziumbasis etwa 10 % des Systems aus, sie sind jedoch eine der Hauptursachen für Systemenergieverluste. Nach mehr als 40 Jahren Entwicklung haben sich die Umwandlungseffizienz und die Leistungsdichte siliziumbasierter Geräte den theoretischen Grenzen angenähert. Durch den Einsatz von Siliziumkarbidmaterialien kann der Umwandlungswirkungsgrad von 96 % auf über 99 % gesteigert, der Energieverbrauch um mehr als 50 % gesenkt und die Lebensdauer der Geräte um das 50-fache erhöht werden. Beispielsweise bringen Siliziumkarbid-Geräte in String-Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen in Wohn- und Gewerbeanlagen Kosten- und Leistungsvorteile auf Systemebene. Führende Photovoltaik-Wechselrichterunternehmen wie Solar Power haben in ihren Serienwechselrichtern Siliziumkarbid-Bauelemente eingesetzt.
(4) Intelligentes Netz
Der Siliziumkarbid-Leistungsschalter ist aufgrund seines extrem niedrigen Widerstands im offenen Zustand und seiner Anwendbarkeit bei hohem Druck, hoher Temperatur und hoher Frequenz ein idealer Ersatz für Geräte auf Siliziumbasis, wenn im Vergleich dazu Siliziumkarbid-Leistungsmodule verwendet werden Durch den Einsatz von Silizium-Stromversorgungsgeräten kann der durch Schaltverluste verursachte Leistungsverlust um mehr als das Fünffache reduziert werden, das Volumen und das Gewicht werden um 40 % reduziert, was erhebliche Auswirkungen auf die zukünftige Form des Stromnetzes und die Anpassung der Energiestrategie haben wird.
(5) Drahtlose Kommunikationseinrichtungen
Die Entwicklung von 5G hat das Wachstum der Nachfrage nach Silizium-basierten Galliumnitrid-Geräten gefördert, und der Markt ist breit gefächert. In Mikrowellen-HF-Geräten bestimmen Leistungsverstärker direkt wichtige Parameter wie die Entfernung der drahtlosen Kommunikation und die Signalqualität zwischen mobilen Endgeräten und Basisstationen, und 5G-Kommunikationsfunktionen wie Hochfrequenz, hohe Geschwindigkeit und hohe Leistung stellen höhere Anforderungen an die Leistung. Galliumnitrid-HF-Geräte mit Siliziumkarbid als Substrat bieten die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid und einer hohen HF-Leistung von Galliumnitrid im Hochfrequenzband. Ihre Anwendungen in Leistungsverstärkern können die Anforderungen der 5G-Kommunikation an Hochfrequenzleistung erfüllen hohe Verarbeitungskapazität.
Kapitalwetten, Siliziumkarbid im Halbleiterwinter
Im Abschwung der Halbleiterindustrie ist das kein düsterer Ton, Siliziumkarbid ist ein Gegenbeispiel für die Malaise. Siliziumkarbid beschäftigte den Kapitalmarkt in den letzten Jahren stark.
Im Jahr 2021 haben eine Reihe von Siliziumkarbidunternehmen die Gunst von Investmentinstituten gewonnen und den Abschluss der Finanzierung angekündigt, und die Branche hat auch eine Finanzierungswelle ausgelöst.
2022 ist auch ein Jahr der Investitionen und Finanzierung von Siliziumkarbid. Unvollständigen Statistiken zufolge überstieg der jährliche Umfang der Investitionen, Finanzierungen sowie Fusionen und Übernahmen im Jahr 2022 3,3 Milliarden Yuan, und die Zahl erreichte mehr als 30. Allein im Dezember 2022 gab es sieben Finanzierungsfälle, darunter Zhen Drive Technology, Kernunternehmen von Poly Energy , Yiwen Technology, Zhanxin Electronics, Nansha Wafer usw.
Kurz nach der ersten Jahreshälfte 2023 hat der Finanzierungsumfang von Siliziumkarbidunternehmen einen neuen Höchststand in den letzten drei Jahren erreicht. Im ersten Quartal dieses Jahres wurden insgesamt 21 Finanzierungen im Bereich Siliziumkarbid durchgeführt, darunter Epitaxie, Substrat, Materialien, Ausrüstung, Leistungsgeräte ... Die Finanzierung deckt nahezu die gesamte inländische Siliziumkarbid-Industriekette ab. Von diesen 21 Unternehmen gaben einige Unternehmen die Höhe der Finanzierung nicht bekannt. Zehn Unternehmen erhielten mehr als 100 Millionen Yuan an Finanzierungen, was etwa 50 % der Gesamtsumme ausmachte. Unter ihnen ist Tianyu Semiconductor mit 1,2 Milliarden die größte Finanzierung. Im zweiten Quartal dieses Jahres gab es mehr als zehn Finanzierungen mit einem Gesamtbetrag von mehr als 5 Milliarden Yuan.
Der Bau von Fabriken und die Ausweitung der Produktion haben nicht aufgehört
Daten zeigen, dass sich die Erweiterungsprojekte im Zusammenhang mit Siliziumkarbid und die erwarteten Investitionsausgaben im ersten Halbjahr auf einen Gesamtbetrag von mehr als 100 Milliarden Yuan (umgerechnet in RMB) summieren, der Inhalt der Erweiterung liegt hauptsächlich bei etwa 100 Milliarden Yuan Substrat, Epitaxie und Geräte, und die Anwendungsrichtung basiert hauptsächlich auf Elektrofahrzeugen.
Im Januar dieses Jahres veröffentlichte die deutsche Bosch-Gruppe in Suzhou eine wichtige Neuigkeit: Sie investiert eine weitere Milliarde US-Dollar in den Bau von Kernkomponenten für neue Energiefahrzeuge sowie in ein Forschungs- und Entwicklungs- und Fertigungsbasisprojekt für autonomes Fahren. Der Produktionsinhalt umfasst Siliziumkarbid-Leistungsmodule. Im April beschloss Bosch dann, den Halbleiterhersteller TSI Semiconductors zu kaufen und weitere 1,5 Milliarden US-Dollar zu investieren, um die Halbleiterproduktion der dritten Generation zu erweitern, um der Nachfrage des Marktes für Elektrofahrzeuge gerecht zu werden.
Im Februar dieses Jahres kündigte Wolfspeed, ein amerikanischer Halbleiterhersteller, offiziell Pläne zum Bau der weltweit größten und modernsten Produktionsanlage für Siliziumkarbid-Geräte im Saarland, Deutschland, an. Die Anlage wird die größte 8-Zoll-Halbleiteranlage der Welt sein und einen innovativen Herstellungsprozess nutzen, um Siliziumkarbid-Geräte der nächsten Generation herzustellen.
Gleichzeitig wurde die Ausweitung der inländischen Siliziumkarbidproduktion nicht gestoppt.
Im Juni dieses Jahres gaben SAN'an Optoelectronics und stmicroelectronics gemeinsam bekannt, dass beide Seiten beabsichtigen, 3,2 Milliarden US-Dollar (rund 22,8 Milliarden Yuan) in den Bau einer 8-Zoll-Siliziumkarbid-Epitaxie-Chipgießerei zu investieren. Gleichzeitig wird SAN 'an Optoelectronics eine 8-Zoll-Siliziumkarbid-Substratfabrik als unterstützende Einrichtung mit einer geschätzten Gesamtinvestition von 7 Milliarden Yuan errichten. Darüber hinaus haben Tianke Heda, Han Tiantian, Tianyue Advanced und andere Unternehmen ihre neuen Investitions- und Expansionspläne angekündigt.
Keramischer Aspekt
Keramik, die häufigsten Keramikmaterialien sind Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid usw., wobei Siliziumkarbidmaterialien aufgrund ihres sehr hohen Elastizitätsmoduls, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht leicht zu Biegespannungsverformungen und thermischen Belastungen und anderen führen Eigenschaften, wie hervorragende Strukturkeramik und Hochtemperaturmaterialien, in der Lithium-, Halbleiter-, Photovoltaik- und anderen Bereichen finden immer mehr Anwendungen.
Ein beliebtes Material für Präzisionskomponenten von Halbleitergeräten wie Lithographiemaschinen
Keramik ist ein Schlüsselkomponentenmaterial in wichtigen Halbleitergeräten wie Ätzmaschinen, Beschichtungsentwicklern, Lithographiemaschinen und Ionenimplantationsmaschinen, und ihre Kosten machen mehr als 10 % der Kosten von Halbleitergeräten aus. Unter diesen werden Siliziumkarbidkeramiken häufig in der Prozessausrüstung von der Vorder- bis zur Rückseite der Halbleiterfertigung verwendet, beispielsweise in Schleif- und Poliersaugern, Lithografiesaugern, Erkennungssaugern, Präzisionsbewegungsplattformen und hochreinen Siliziumkarbidteilen der Ätzung Link, Präzisionsbewegungssysteme in der Verpackung und Erkennungslink usw., die äußerst wichtig sind.
(1) In der Lithographiemaschine
Um in High-End-Lithographiemaschinen eine hohe Prozessgenauigkeit zu erreichen, ist es notwendig, in großem Umfang Keramikteile mit guter funktioneller Verbindung, struktureller Stabilität, thermischer Stabilität und Maßgenauigkeit zu verwenden, wie z. B. E-Chuck, Vakuum-Chuck, Block, magnetisch Stahlrahmen, Wasserkühlplatte, Spiegel, Führungsschiene usw. In dieser Hinsicht sind Siliziumkarbidkeramiken ausreichend.
(2) In Ätzgeräten
In Ätzgeräten verursacht das Plasma durch physikalische Einwirkung und chemische Reaktion schwere Korrosion auf der Oberfläche des Geräts, was einerseits die Lebensdauer der Teile verkürzt, andererseits die Leistung des Geräts verringert und Die während des Korrosionsprozesses erzeugten Reaktionsprodukte verflüchtigen sich, fallen ab und erzeugen in der Prozesskammer Verunreinigungspartikel, die die Sauberkeit der Kammer beeinträchtigen. Daher kommt der Plasmaätzbeständigkeit des Hohlraums und der Hohlraumkomponentenmaterialien eine große Bedeutung zu.
SiC wird als Hohlraummaterial für Ätzmaschinen verwendet. Im Vergleich zu Quarz erzeugt das Material selbst aufgrund der besseren mechanischen Eigenschaften weniger Verunreinigungen. Beim Plasmabeschuss seiner Atomoberfläche ist die Atomverlustrate relativ gering. Mitsui berichtete über ein SiC-Verbundmaterial als Hohlraummaterial für Luftätzmaschinen mit hoher Korrosionsbeständigkeit.
Die Aufgabe der Fokussierringkomponenten besteht darin, ein ausgeglichenes Plasma bereitzustellen, was eine ähnliche Leitfähigkeit wie Siliziumwafer erfordert. Das in der Vergangenheit verwendete Material war hauptsächlich leitfähiges Silizium, doch das fluorhaltige Plasma reagierte mit Silizium unter Bildung von flüchtigem Siliziumfluorid, was seine Lebensdauer stark verkürzte, was zu einem häufigen Austausch von Komponenten und einer verringerten Produktionseffizienz führte. SiC und einkristallines Si haben eine ähnliche Leitfähigkeit und eine bessere Beständigkeit gegenüber Plasmaätzung und können als Fokussierungsringmaterial verwendet werden.
Als wichtigstes Verbrauchsmaterial für Halbleitermaterial beim Plasmaätzen stellt der SiC-Ätzring hohe Anforderungen an die Reinheit. Im Allgemeinen kann zum Züchten von SiC-Dickschichtblöcken nur das CVD-Verfahren verwendet werden, das dann durch Präzisionsbearbeitung vorbereitet wird, hauptsächlich zur Vorbereitung des Halbleiterätzprozesses.
Siliziumkarbid-Keramikofen – „Arbeiter hinter den Kulissen“ beim Sintern von Lithium-Elektromaterialien
Da es sich um einen neuen Energiezweig handelt, muss nicht beschrieben werden, wie viel Lithium derzeit verbrannt wird. Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial, Anodenmaterial und Elektrolyttrocknung, Sintern und Wärmebehandlung und andere Prozesse, Rollenofen ist eine wichtige kontinuierliche Produktionsausrüstung, Brennhilfsmittel sind das wichtigste Zubehör des Ofens, sein industrielles Ofenrecycling, das zur Unterstützung oder zum Schutz verwendet wird Gebrannte Produkte aus feuerfesten Produkten, angetrieben durch die positive Materialausdehnung, erweiterte sich die Anwendung von Brennhilfsmitteln. Siliziumkarbid-Keramiköfen mit ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, Feuerbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit, die in Keramiköfen verwendet werden, können die Produktionskapazität des Ofens verbessern, den Energieverbrauch erheblich senken und zu einer Vielzahl von Ofenmaterialien in der idealen Wahl für Ofenmaterialien werden.
Photovoltaikindustrie – Wichtige Fahrzeugmaterialien im Zellproduktionsprozess
Unter den Siliziumkarbid-Keramiken hat sich die Siliziumkarbid-Bootshalterung zu einer guten Wahl für wichtige Fahrzeugmaterialien im Produktionsprozess von Photovoltaikzellen entwickelt, und ihre Marktnachfrage wird von der Industrie zunehmend beunruhigt.
Derzeit sind die häufig verwendeten Quarz-Bootshalterungen, Bootskästen, Rohrverbindungsstücke usw. durch inländische und internationale Quellen für hochreinen Quarzsand mit geringer Produktionskapazität und vor dem Hintergrund der steigenden Nachfrage nach Einkristallöfen begrenzt Tiegel im oberen Bereich der Photovoltaikindustrie und Verbrauchsmaterialien für Siliziumbatterieträger im mittleren Bereich. Hochreiner Quarzsand zeichnet sich durch ein knappes Angebot und eine knappe Nachfrage sowie einen langfristig hohen Preisbetrieb aus. Als Gerät, das Silizium im Produktionsprozess von Photovoltaikzellen transportiert, weist der Quarzträger eine stabile Leistung auf, steht jedoch im Widerspruch zum Auswahlstandard von Verbrauchsmaterialien mit hoher Qualität und niedrigem Preis.
Im Vergleich zu Quarzmaterialien können Siliziumkarbidmaterialien aus Bootshalterungen, Bootskästen, Rohrprodukten und anderen guten thermischen Stabilität, Hochtemperatureinsatz ohne Verformung, keine schädliche Ausfällung von Schadstoffen, als hervorragendes Alternativmaterial für Quarzprodukte, die Lebensdauer erreichen mehr als 1 Jahr, kann die Nutzungskosten und den durch die Produktion verursachten Wartungs- und Reparaturlinienverlust erheblich reduzieren, Kostenvorteile liegen auf der Hand. Als Fahrzeug hat es breite Einsatzmöglichkeiten im Photovoltaikbereich.
Gegenwärtig nimmt die Photovoltaik-Penetrationsrate in den wichtigsten Volkswirtschaften der Welt aufgrund nationaler politischer Vorgaben und der Marktnachfrage weiter zu. Die Stromkosten der Photovoltaik-Industrie sind deutlich gesunken und die Photovoltaik-Stromerzeugung ist nach Angaben der IEA zur wirtschaftlichsten Energiequelle der Welt geworden Prognosen zufolge wird die installierte Photovoltaikkapazität im Zeitraum 2020–2030 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 21 % auf nahezu 5 TW wachsen. Der PV-Anteil an der weltweit installierten Leistung wird von 9,5 % auf 33,2 % steigen.
Die starke Nachfrage nach installierten Terminals treibt weiterhin die hohe Nachfrage nach Batteriezellen voran und fördert den Anstieg der Nachfrage nach Siliziumkarbid-Bootshalterungen und Bootsbox-Ersatz in der Photovoltaikindustrie. Bis 2025 wird erwartet, dass die Halbleiter- und Photovoltaikindustrie mit Siliziumkarbid-Strukturkeramik 62 % ausmacht Der Anteil der Photovoltaikindustrie mit Siliziumkarbid-Strukturkeramik wird im Jahr 2022 von 6 % auf 26 % steigen und sich zum am schnellsten wachsenden Bereich entwickeln.
Kurze Zusammenfassung
Wir sehen, dass Siliziumkarbidmaterial, ob als Einkristallmaterial oder als Keramikmaterial, heute eine sehr wichtige Position in der Industriekette der Halbleiter-, Lithiumbatterie-, Photovoltaik- und anderen beliebten Industrien einnimmt und seine drei Branchen mehr als sind 100-Milliarden-Milliarden-Milliarden-Markt-Schaltung, und diese Industrien wachsen mit hoher Geschwindigkeit, man kann vorhersagen, dass Siliziumkarbid-Material morgen ein gutes sein wird.
