הַקדָמָה

לחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי יש ביצועים ומבנה פס אנרגיה מעולים, והם נמצאים בשימוש נרחב בייצור התקני תדר רדיו, התקנים אופטו-אלקטרוניים, התקני חשמל וכו', וחדרו בהדרגה לתחומים מתפתחים כמו תקשורת 5G, טעינה מהירה PD. ורכבי אנרגיה חדשים. כיוון פיתוח חשוב של תעשיית המוליכים למחצה. עם זאת, אין להכחיש שהקשיים הטכניים של חומרי GaN ו-SiC עדיין קיימים, מידת ההחלפה המקומית אינה גבוהה, והעלות עדיין גבוהה, מה שמציק לתהליך של תעשיית המוליכים למחצה מהדור השלישי בסין. כחומרי מפתח לשיפור יעילות המוצר וצפיפות ההספק, מצב הפיתוח הנוכחי של חומרים מוליכים למחצה מהדור השלישי GaN ו-SiC משך תשומת לב רבה.

קשיים טכניים ומאפיינים של חומרי GaN ו-SiC

כיום, חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי GaN ו-SiC זכו להכרה ומודאגת מאוד על ידי השוק. בתחום מוליכים למחצה כוח, מקורבים בתעשייה מאמינים כי בנוסף לפליטת אור LED ותדר רדיו, הקשיים הטכניים של חומר המוליכים למחצה מהדור השלישי SiC נעוצים בעיקר בשליטה על פגמי מצע. כיום, חומרי המצע עם צפיפות הפגמים הנמוכה מיוצרים בעיקר על ידי יצרנים אירופאים, אמריקאים ויפנים, וייקח תקופה ארוכה לפרוץ דרך בסין.

יחד עם זאת, תהליך SiC של חומר מוליכים למחצה מהדור השלישי קשה לשליטה, ותנודות אצווה המוצר מובילות לתשואה נמוכה ולמונופול של אספקת החומרים העיקרית. ניתן אף להסיק שמחיר השוק נשאר גבוה, והוא מוגבל כרגע רק לכמה שווקי יישומים. עם זאת, בהשוואה לסדרה של מאפיינים משלה, כגון אובדן נמוך יותר, יעילות גבוהה יותר, מתח גבוה ועמידות בטמפרטורה גבוהה של SiC, היישום של חומר המוליכים למחצה SiC מהדור השלישי החל לשנות תעשיות נוספות.

בניגוד ל-SiC, GaN הוא רכיב מורכב יחסית. GaN אינו MOSFET במובן האמיתי, אלא HEMT (טרנזיסטור ניידות אלקטרונים גבוהה), בעל מאפיין מיתוג דומה לזה של MOSFET. GaN HEMT הוא מבנה מוליך מישורי שאינו תלוי במצע וניתן ליישם אותו על מצעי ספיר או סיליקון, אך קשה ליישם אותו בהתקנים במצב סגור בדרך כלל. ג'אנג דאג'יאנג, מנהל השיווק של Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. ("Gallium Future" בקיצור), מאמין שישנם שני פתרונות: האחד הוא להוסיף סימום מסוג P לשער כדי לחסום את גז האלקטרונים הדו-ממדי ולממש את פונקציית הסגירה הרגילה; האחד הוא לחבר MOSFET במתח נמוך בטור עם המקור, ולשלוט ב-MOSFET במתח נמוך כדי לספק את כיבוי המתח השלילי של שער GaN. היתרון הוא של-MOSFET יש יכולת חזקה נגד הפרעות.

בנוסף, הקשיים הטכניים הנוכחיים של חומר המוליכים למחצה מהדור השלישי GaN מגיעים גם מהיבטים רבים אחרים. במונחים של קושי תהליך, חומרי GaN מתמודדים עם אתגרים כמו תפוקת מכשירים, עקביות ואמינות; עבור חברות GaN, איך הן יכולות לשפר את תוכן הבדיקה ולעבד ולסנן משרות ללקוחות בצורה המהירה והמדויקת ביותר? מכשיר טוב; עמידות החום הגבוהה של GaN, ההתנגדות בתדר גבוה, ה-Vth הנמוכה ומאפיינים אחרים מיועדים לכיוון אריזה שונה ממכשירי סיליקון מסורתיים; במקביל, ביישום, התוספת של חומר המוליכים למחצה מהדור השלישי GaN ערערה את תעשיית אספקת החשמל המסורתית. לתעשיית החשמל החדשה יש דרישות גבוהות יותר עבור שבבי בקרת PWM ויצרני שנאים.

לכתב נודע ש-Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (המכונה "Nitrogen Silicon Technology") בנתה מערך שלם של קווי בדיקה לאחר תקופה ארוכה של מחקר ותרגול, אשר לא יכול רק לבחור את התקני העבודה הרגילים עבור לקוחות, אבל גם יכולים לבדוק את המכשירים. לסווג, לספק ללקוחות מוצרים חסכוניים שיכולים לעמוד בדרישות, ולהשתמש במספר רב של נתוני בדיקה מעשיים כדי לעזור לפיתוח התהליך של היציקה לספק כיווני שיפור. מצד שני, Nitrogen Silicon Technology חוקרת במרץ טכנולוגיית אריזה ואיטום מתקדמת כדי לשפר את הביצועים וקלות השימוש במכשירי GaN; במקביל, היא יצרה קשר עם יצרנים גדולים של שנאים ושבבי PWM כדי לפתח פתרונות.

יואן וויואנג, מנכ"ל Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (המכונה "Xinmin"), סבור כי GaN דומה להתקני סיליקון, וההתנגדות הפנימית בטמפרטורה גבוהה מראה עלייה של יותר מפי 2 מהמקדם . שלא כמו מכשירי סיליקון, מתג במהלך התהליך, הלחץ החשמלי הנוסף גורם לעלייה דינמית של התנגדות ההפעלה. לכן, הקושי הטכני של מכשירי GaN טמון בעיקר כיצד להתמודד עם ההתנגדויות הפנימיות השונות הנגרמות על ידי זמן שימוש שונה וטמפרטורת סביבה, המוצגות כדלקמן:

1: RDson מציג מצב לא יציב כשהטמפרטורה עולה, כפי שמוצג באיור הבא:

שניים: RDson מציג גם מצב לא יציב לאורך זמן, כפי שמוצג באיור הבא:

בהתבסס על הבעיות שהוזכרו לעיל של התקני GaN, הפתרון הוא לשקול באופן מקיף את גורמי המאמץ התרמואלקטרי, ולשקול שימוש בתכנון בעל מרווח RDson פי 3-3.5. התקני SiC בוגרים בעיקרון ביישום דיודות Schottky הנוכחיות. הבעיה העיקרית היא יציבותם של MOSFETs SiC, הדורשת ניפוי שגיאות וחקירה ארוכי טווח של התהליך, והקשיים הטכניים התגברו למעשה.

בנוסף לטעינה מהירה PD, GaN תוקפת מקורות כוח בעלי הספק גבוה

Gallium Future היא יצרנית מכשירי כוח GaN מובילה בסין, המוקדשת למו"פ וייצור של מוצרי GaN במבנה Cascode. על פי דיווחים, המבנה משלב את קלות השימוש במכשירי סיליקון ואת מאפייני התדר הגבוה והיעילות של מכשירי GaN כדי להשיג פתרונות הספק בצפיפות הספק גבוהה עד 10KW. המוצרים משמשים בעיקר עבור ספקי כוח שרתים בעלי הספק גבוה, ספקי כוח של תחנות בסיס וכו'. לאחרונה השיקה Gallium Future שני התקני SMD cascode GaN בגודל קטן ליישומי טעינה מהירה, G1N65R240PB ו-G1N65R480PA, המקבילים לטעינה מהירה של 65W ו-33W יישומים בהתאמה. עם יכולת האנטי-הפרעות החזקה ושיטת הנהיגה הפשוטה שלו, הוא עוזר למשתמשים להשיג עיצוב טעינה מהירה GaN פשוט ויעיל.

נכון לעכשיו, היישום של מכשירי הכוח GaN של Nitrogen Silicon Technology בתחומים צרכניים כגון ספקי כוח PD ו-LED הבשיל בהדרגה. יצרנים של מוצרים לבנים, כמו גם מרכזי נתונים, פוטו-וולטאים ותעשיות אחרות, ואפילו בתחום האלקטרוניקה לרכב גילו ברציפות עניין רב במכשירי כוח GaN מבית Nitrosil Technology. דווח כי בעתיד, מוצרי Nitrogen Silicon Technology ישתפו פעולה עם שבבי GaN דרייברים שפותחו בעצמם כדי לפרוס בהדרגה שוק התקן ומודול GaN בהספק גבוה ויציב יותר.

הכתב נודע ש-Xinmin GaN power MOS משמש בעיקר בטעינה מהירה במיוחד, אספקת כוח LED ואספקת חשמל ממוזערת בצפיפות גבוהה. ביניהם, טעינה סופר מהירה היא השוק העיקרי של GaN המסורתי, בעוד שאספקת כוח LED, אספקת חשמל ממוזערת בצפיפות גבוהה, כגון מפסקים, אספקת חשמל של תחנות בסיס מיקרו הוא תחום חדשני, והוא גם שוק הפריסה העיקרי של שינמין.

בתור השוק העיקרי של חומר המוליכים למחצה מהדור השלישי GaN, הטעינה המהירה של PD הבשילה בהדרגה. בעתיד, ספקי כוח בעלי הספק גבוה כגון נוריות, תחנות בסיס ושרתים עשויים להפוך לשווקי יישומים פופולריים לחומרי GaN.

SiC יברח בשוק אספקת החשמל לרכב

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd ("מיפסון" בקיצור) מחויבת לפיתוח, ייצור וקידום של חומר המוליכים למחצה של הדור השלישי SiC מאז הקמתה. השילוב הכפול מספק ללקוחות אפשרויות יציבות יותר. נכון לעכשיו, מוצרי ה-SiC של החברה יושמו בשלות בתחומי טעינה מהירה PD, אספקת חשמל לתאורה, מהפך פוטו-וולטאי ואספקת חשמל לשרתים; על פי השווקים השונים המתאימים לפלח המתח, בשילוב עם טכנולוגיית התהליך העדכנית ביותר, הפרמטרים המרכזיים מובחנים כדי להפוך את המוצרים למתאימים יותר למשתמשים. לְעַצֵב. נכון לעכשיו, MPS סיפקה מוצרי התנגדות פנימית נמוכה במיוחד של SiC MOS באצוות, ויש לה את היכולת לחלוק את השוק עם מותגים מיובאים, וממשיכה להשקיע במחקר ופיתוח כדי להביא אפשרויות משתלמות יותר ללקוחות באמצעות שיפור מתמיד.

על פי דיווחים, MPS פרסה באופן פעיל את שווקי מעבר הרכבות ואספקת החשמל לרכב בתחום חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי, והגיעה להסכמות עם מספר יצרני רכב מקומיים מובילים, וכמה מוצרים כבר החלו בניסויים על הסיפון.

כיום, התקני ה-SiC של Xinmin משמשים בעיקר בממירי חשמל, כולל מיקרו-ממירים וממירי חשמל בעלי הספק גבוה. נכון לעכשיו, המוצרים העיקריים שהשיקה Xinmin הם דיודות Schottky SiC ומודולי Schottky. דווח כי שוק חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי של Xinmin יתפרס בעיקר באירועי ספקי כוח בעלי יעילות גבוהה והספק גבוה כגון ערימות טעינה וספקי כוח לשרתים.

נכון לשנה זו, Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd ("Tyco Tianrun") הייתה מעורבת עמוקה בתחום שבבי SiC כבר עשר שנים, ומוצריה נמצאו בשימוש נרחב בתעשיות (כגון גבוהה -ספקי כוח LED, ספקי כוח למחשבים, ספק כוח תקשורת, מהפך פוטו-וולטאי ומודול טעינה של ערימת טעינה וכו'), ספק כוח לרכב (כגון OBC, DCDC וכו'), שוק הצרכנים (כגון PD טעינה מהירה) .

Qiu Qi, סגן נשיא לשיווק של Tyco Tianrun, מאמין שכיוון אספקת החשמל העתידי הוא מזעור, משקל קל וצפיפות הספק גבוהה, ותחומים מתפתחים כמו רכבים חשמליים חייבים להיות אחד מתחומי היישום העיקריים של התקני סיליקון קרביד. מכיוון שאם הבקרה האלקטרונית המנועית של הרכב החשמלי תאמץ את הפתרון המלא של סיליקון קרביד, ייצרכו בממוצע שישה פרוסות סיליקון קרביד בגודל שישה אינץ'. הכוח נמצא גם ברכבי אנרגיה חדשים.

כלי רכב המונעים על ידי אנרגיה חדשה דורשים מספר רב של רכיבים אלקטרוניים וחשמליים לרכב. התקנים אלה ממלאים תפקיד חשוב מאוד בערך הכולל, בגודל, בנפח, בביצועים הדינמיים, בקיבולת עומס יתר, בעמידות ובאמינות של המכונה כולה. IGBT מבוסס סיליקון, כרכיב ההספק הדומיננטי, משמש בבקר המנוע של כלי רכב המונעים על ידי אנרגיה חדשה, והמנוע והבקר שלו מהווים כ-7%-10% מעלות הרכב כולו, שהוא רכיב העלות השני בגובהו אחרי הסוללה. זהו הרכיב המרכזי שקובע את יעילות האנרגיה של הרכב כולו. יחד עם זאת, על מנת להשיג צפיפות הספק גבוהה יותר ואמינות גבוהה, התקני טעינה מהירה צריכים להיות בעלי ביצועים חזקים יותר, ודור חדש של התקני טעינה לרכב המבוססים על חומר מוליך למחצה SiC מהדור השלישי יזרח גם הוא.

תהליך ההחלפה המקומי יימשך, והעלות תקטן בהדרגה

מגל אזל המלאי ב-2018, יצרנים זרים גדולים התמקדו באספקת לקוחות זרים ביחד, ועד להשפעת המגיפה ב-2020, בסיסי הייצור של יצרנים זרים בדרום מזרח אסיה הושפעו קשות מהפחתות בייצור ומקומיים. יצרני מותגים נטלו על עצמם שוב ושוב את האחריות הכבדה של משלוח. בנוסף, פיתוח נמרץ של מוליכים למחצה מהדור השלישי שודרג לאסטרטגיה לאומית. בשילוב עם שוק הביקוש המקומי העצום, יש מקום חסר תקדים ללוקליזציה והחלפה, וזה גם נתן לכל שרשרת תעשיית המוליכים למחצה המקומית של הדור השלישי הזדמנות לחזור עליה.

השנה, הודות לתמיכת המדינה ולמאמצים הבלתי פוסקים של תעשיית המוליכים למחצה המקומית, מוליכים למחצה מקומיים מהדור השלישי צומחים במהירות מדהימה. מבחינת מוליכים למחצה מהדור השלישי, הפער בין מוליכים למחצה מקומיים לזרים אינו בולט כמו זה של מוליכים למחצה מהדור הראשון והשני. מבחינת דיודות SiC, מוצרים מקומיים התמקמו בעיקרם ונכנסו לתחומי התעשייה והרכב; מבחינת SiC MOSFET, עדיין ישנם כמה פערים בארץ ובחו"ל; מבחינת GaN, שוק ציוד ה-RF של GaN במדינה שלי ממשיך לגדול. עמודי התווך העיקריים ומניעי הצמיחה העיקריים הם תשתית תקשורת אלחוטית וכו'. מבחינת GaN מבוסס סיליקון, הוא משמש כיום בעיקר במוצרי טעינה מהירה PD לטלפונים ניידים, מכיוון שמוצרי צריכה רגישים מאוד לעלות, והסף הטכני של המוצר עצמו נמוך מזה של מחלקה תעשייתית ומחלקת רכב, הפער בין מקומי לזר כבר לא יהיה ברור בעתיד הקרוב.

יואן וויואנג צופה שבשנים הקרובות, SiC Schottky יהיה מקומי באופן מלא. נכון לעכשיו, SiC MOS עדיין מבוסס בעיקר על ROHM ביפן, cree בארצות הברית ו-STMicroelectronics ו-Infineon באירופה. הלוקליזציה של MOS עדיין דורשת ליטוש נוסף של תהליכים טכניים, אך המגמה ארוכת הטווח היא עדיין לוקליזציה.

נכון לעכשיו, כיוון הפיתוח של מכשירי המוליכים למחצה מהדור השלישי ברור, ומפעלים מקוריים מקומיים תופסים את הזמן והמקום הנכונים. עבור סביבת חומרי מוליכים למחצה מבית SiC מהדור השלישי המקומי, בשנתיים האחרונות, תחת הלחץ של מלחמת הסחר בין סין לארה"ב, מגיפות זרות וסגירת מפעלי אריזה בדרום מזרח אסיה, יצרנים זרים שלקחו זמן לחכות-ו- לראות את היחס ליצרנים מקומיים בשנים הראשונות פתחו בהדרגה את זרועותיהם. ללקוחות יש גם גישה פתוחה לתקשר עם יצרני מקור מקומיים. מצד שני, יש קשר עמוק בין כמה חברים זרים ליצרני רכב אירופאים ואמריקאים, וכושר האספקה ​​ללקוחות אחרים ירד. עקב היצע לא מספק, לקוחות מדד מקומיים ישקלו מוליכים למחצה מקומיים כולל SiC מקומי.

Qiu Qi מאמין שמ-4 אינץ' ל-6 אינצ'ים של חומרי סיליקון קרביד ואפילו 8 אינץ' בעתיד, עלות החומר של הדור השלישי של מוליכים למחצה SiC תרד, מה שיטביע את שוק הסיליקון המפולח.

יאנג יונג, מנהל מוצר של מיפסון, אמר שבעתיד הפער בין חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי למוצרים של יצרנים זרים ילך ויצטמצם, עד שישיגו או אפילו יעלו, והמחיר בהחלט יתקרב. וקרוב יותר לאווירה. Ke Wei, מנהל השוק של Nitrogen Silicon Technology, מאמין שתוך 3-5 שנים, העלות של מכשירי חשמל ביתיים של GaN תתקרב בהכרח למחיר של MOS מבוסס סיליקון מסורתי ותהפוך ליקיר השוק החדש.

לתהליך ההחלפה המקומית של חומרים מוליכים למחצה מהדור השלישי יש עוד דרך ארוכה לעבור. Yuan Weiwang מאמין שבמוליכים למחצה מהדור השלישי הנוכחיים, מכשירי GaN עדיין נשלטים על ידי Navitas, PI ו-gansystem בקנדה. למגזרי התעשייה והרכב יש עוד דרך ארוכה לעבור.

כיוון חדש לפיתוח חומרים מוליכים למחצה מהדור השלישי

כידוע לכולנו, מטרת השימוש בחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי היא לשפר את יעילות המוצר ואת צפיפות ההספק. מוצרים בעלי הספק גבוה מפותחים בעיקר מ-IGBTs Si ל-MOSFETs SiC. כיום, הם החלו להיות מוחלפים במלואם ביישומי רכב. שיפור היעילות והפחתת המשקל משפרים ישירות את חיי הסוללה של כלי רכב חשמליים. מוצרי ההספק הקטנים והבינוניים הם פיתוח MOSFETs Si ל-HEMTs GaN, והיישומים העיקריים הם ספקי כוח למרכזי נתונים ומתאמי טעינה.

האנרגיה שצורך מרכז הנתונים מהווה כ-10% מכלל ייצור החשמל. ספק הכוח שתוכנן עם חומר המוליכים למחצה מהדור השלישי GaN יכול להגביר את היעילות ב-3 עד 5 נקודות, ובכך לחסוך בין 3 ל-5 אלפיות מצריכת החשמל במדינה. . יש לכך השלכות חשובות מאוד על ניטרליות הפחמן. מבחינת מתאמי טעינה, השימוש בגאליום ניטריד יכול להפחית את הנפח בחצי, וזה בעצם הפך לביקוש נוקשה לצרכנים. במיוחד עם הצגת PD3.1, בעתיד, אתה רק צריך להביא מתאם PD כדי לטעון כל מכשירי חשמל ניידים. זה הולך להיות שוק של מיליארד דולר.

יאנג יונג מאמינה שעם הטון האסטרטגי הלאומי של "נייטרליות פחמן" ותמיכה מתמשכת במוליכים למחצה מהדור השלישי, סין בהחלט תוביל בעתיד את שוק הצרכנים של חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי העולמי של SiC. במקביל, כאשר תהליך SiC של חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי המקומי מתחיל להבשיל בהדרגה, והיה בייצור יציב, מאמינים שניתן לפתור את בעיית החומרים של מוליכים למחצה מהדור השלישי בעתיד הקרוב.

מגמת הלוקליזציה בלתי ניתנת לעצירה. המוליך למחצה מהדור השלישי הוא התוצר העיקרי של עקיפת המדינה בפינות. עם התקדמות הטכנולוגיה, יהיה מרחב שוק רחב מאוד. "חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי הם לא רק SiC ו-GaN, אלא גם תרכובות כגון גליום ארסניד (GaAs) הן גם כוחות חשובים בעתיד, ויהיו להן יישומים רחבים ב-5G הרשות הפלסטינית הנוכחית, בספק פס רחב של קו מתח ובתחומים אחרים ." אמר יואן וויואנג.

סיכום

מונעים על ידי מדיניות לאומית ותמיכה של תעשיית המוליכים למחצה, חומרי המוליכים למחצה מהדור השלישי המיוצגים על ידי GaN ו-SiC הפכו למוקד חשוב בפיתוח תעשיית המוליכים למחצה. במיוחד בתחום הטעינה המהירה PD ורכבי אנרגיה חדשים, השימוש בחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי GaN ו-SiC קידם מאוד חדשנות ואיטרציה של מוצרים. לאור המצב הנוכחי של החלפה מקומית, ככל שהיצרנים המקומיים ממשיכים להתפתח ולחדש ולפרוץ דרך קשיים טכניים, עמדת תעשיית המוליכים למחצה המקומית מהדור השלישי המקומית תתפוס מקום; גם העלות של חומרים מוליכים למחצה תרד, וחומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי כמו GaN ו-SiC ייראו בתחומים רבים כמו רשתות חכמות ומעבר מסילות עבור ספקי כוח בעלי הספק גבוה יותר.

כתב ויתור: מאמר זה משוחזר מ"תעשיית ייצור אינטליגנטי אלקטרוני", מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, לא את Sacco Micro ואת דעותיהם של התעשייה, רק להדפסה מחדש ושיתוף, כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני, נא לציין את המקור מקור ומחבר. , אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.