SiC 제조에는 어떤 과제가 있습니까?

SiC는 트랙션 인버터 및 온보드 충전기용 전기 자동차(EV)뿐만 아니라 DC 고속 충전기, 태양광 인버터, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치(UPS)와 같은 인프라 애플리케이션에도 광범위하게 활용됩니다. 처음에는 연마재로 100년 이상 대량 생산에 사용되었음에도 불구하고 SiC는 고전압 및 고전력 응용 분야에서도 탁월한 성능을 보여주었습니다.

물리적 특성의 관점에서 보면,탄화규소높은 열 전도성, 높은 포화 전자 표류 속도 및 높은 항복 전기장을 나타냅니다(그림 1 참조). 결과적으로 탄화규소 기반 시스템은 에너지 손실을 크게 줄이고 작동 중에 더 빠른 스위칭 속도를 달성할 수 있습니다. 기존 실리콘 MOSFET 및 IGBT 장치와 비교하여 실리콘 카바이드는 더 작은 크기로 이러한 장점을 제공하여 더 높은 효율성과 우수한 성능을 제공할 수 있습니다.

그림 1: 실리콘 및 와이드 밴드갭 소재의 특성

탄화규소의 작동은 다음의 한계를 초과할 수 있습니다.규소, 실리콘 IGBT보다 작동 주파수가 높으며 전력 밀도도 크게 향상시킬 수 있습니다.

그림 2: SiC와 Si 비교

기회의 역할실리콘 카바이드현재의?

제조업체의 경우 탄화규소는 중요한 경쟁 우위로 인식됩니다. 이는 에너지 효율적인 시스템을 구축할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 이러한 시스템의 전체 크기, 무게 및 비용을 효과적으로 줄입니다. 이는 탄화규소를 사용하는 시스템이 일반적으로 실리콘 기반 시스템에 비해 에너지 효율적이고 컴팩트하며 내구성이 뛰어나 설계자가 수동 부품의 크기를 줄여 비용을 절감할 수 있기 때문입니다. 보다 구체적으로, SiC 장치는 열 발생이 낮기 때문에 그림 3과 같이 작동 온도를 기존 솔루션보다 낮게 유지할 수 있습니다. 이는 시스템 효율성을 높이는 동시에 신뢰성을 높이고 장비 수명을 연장합니다.

그림 3: 탄화규소 응용 분야의 장점

설계 및 제조 단계에서 소결과 같은 새로운 칩 본딩 기술을 채택하면 보다 효과적인 열 방출을 촉진하고 연결 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 실리콘 장치에 비해 SiC 장치는 더 높은 전압에서 작동할 수 있고 더 빠른 스위칭 속도를 제공합니다. 이러한 이점을 통해 설계자는 비용 경쟁력을 강화하면서 시스템 수준에서 기능을 최적화하는 방법을 다시 생각해 볼 수 있습니다. 현재 실리콘 카바이드 다이오드, MOSFET, 모듈 등 많은 고성능 장치에서 SiC 기술을 사용하고 있습니다.

실리콘 소재에 비해 SiC의 우수한 성능은 새로운 애플리케이션에 대한 광범위한 전망을 열어줍니다. SiC 장치는 일반적으로 650V 이상, 특히 1,200V 이상의 전압용으로 설계되므로 SiC는 많은 응용 분야에서 선호되는 선택이 됩니다. 태양광 인버터, EV 충전소, 산업용 AC-DC 변환 등의 애플리케이션은 점차 SiC 기술로 전환될 것으로 예상됩니다. 또 다른 응용 분야는 무접점 변압기로, 기존 구리 및 자기 변압기가 점차적으로 SiC 기술로 대체되어 전력 전송 및 변환에서 더 높은 효율성과 신뢰성을 제공합니다.

제조상의 과제는 무엇입니까?실리콘 카바이드얼굴?

탄화규소는 막대한 시장 잠재력을 보유하고 있지만 제조 공정도 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 처음에는 원료, 즉 SiC 과립 또는 분말의 순도가 보장되어야 합니다. 그 후, 매우 일관된 SiC 잉곳(그림 4 참조)을 생산하려면 최종 제품의 신뢰성을 보장하기 위해 모든 후속 처리 단계에서 경험을 축적해야 합니다(그림 5 참조).

SiC의 독특한 과제는 액상이 없다는 점입니다. 즉, 기존 용융 방법으로는 성장할 수 없습니다. 결정 성장은 정밀하게 제어된 압력 하에서 이루어져야 하므로 SiC 제조는 실리콘보다 더 복잡합니다. 고온, 저압 환경에서 안정성이 유지되면 SiC는 액상을 거치지 않고 직접 기체 물질로 분해됩니다.

이러한 특성으로 인해 SiC 결정 성장은 일반적으로 승화 또는 물리적 증기 수송(PVT) 기술을 사용합니다. 이 공정에서는 SiC 분말을 용광로 내부의 도가니에 넣고 고온(2200°C 이상)으로 가열합니다. SiC는 승화되면서 종결정 위에서 결정화되어 결정을 형성합니다. PVT 성장 방법의 중요한 부분은 직경이 잉곳의 직경과 유사한 종자 결정입니다. 특히 PVT 공정의 성장 속도는 시간당 약 0.1~0.5mm로 매우 느립니다.

그림 4: 탄화규소 분말, 잉곳, 웨이퍼

SiC는 실리콘에 비해 경도가 매우 높기 때문에웨이퍼제조 공정도 더 복잡하다. SiC는 매우 단단한 소재로 다이아몬드 톱으로도 절단하기 어렵습니다. 이러한 경도는 다른 많은 반도체 소재와 차별화됩니다. 현재 잉곳을 웨이퍼로 절단하는 여러 가지 방법이 있지만 이러한 방법은 잠재적으로 단결정에 결함을 유발하여 최종 재료 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

그림 5: 원료부터 최종 제품까지의 탄화규소 제조 공정

더욱이 SiC의 대규모 생산에도 어려움이 있습니다. SiC는 본질적으로 실리콘에 비해 결함이 더 많습니다. 도핑 공정은 매우 복잡하며 결함이 적은 대형 SiC 웨이퍼를 생산하려면 제조 및 처리 비용이 더 많이 듭니다. 따라서 고품질 제품의 일관된 생산을 위해서는 처음부터 효율적이고 엄격한 개발 프로세스를 확립하는 것이 중요합니다.

그림 6: 과제 - 실리콘 카바이드 웨이퍼 및 결함

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