Materiales semiconductores de carburo de silicio

La tercera generación de semiconductores tiene un rendimiento superior y escenarios de aplicación más amplios.. Como base para el desarrollo de la tecnología de la información electrónica., Los materiales semiconductores han pasado por varias generaciones de cambios.. Con los requisitos más altos de los escenarios de aplicación., los materiales semiconductores de tercera generación, representado por carburo de silicio y nitruro de galio, han entrado gradualmente en la fase de industrialización y liberación acelerada. En comparación con las dos generaciones anteriores, El carburo de silicio tiene un rendimiento superior, como resistencia a alto voltaje., resistencia a altas temperaturas y baja pérdida, y es ampliamente utilizado en la fabricación de alta temperatura, alta frecuencia, dispositivos electrónicos de alta potencia y resistentes a la radiación.

Carburo de silicio Los dispositivos tienen una amplia gama de aplicaciones.. Por su alta conductividad térmica., alta intensidad de campo eléctrico de ruptura y alta densidad de corriente, Los dispositivos semiconductores basados ​​en materiales de carburo de silicio se pueden utilizar en muchos campos industriales, como los automóviles., dispositivos de carga, fuentes de alimentación portátiles, dispositivos de comunicación, brazos robóticos, y maquinas voladoras. El alcance de su aplicación es cada vez más popular y se profundiza., es una gama muy amplia de posibilidades de aplicación, materiales muy valiosos.

Análisis de las ventajas del carburo de silicio

El ancho de banda prohibido del material semiconductor de tercera generación es mucho mayor que el de las dos primeras generaciones.. La primera y la segunda generación de semiconductores son semiconductores de banda estrecha, mientras que a partir de la tercera generación de semiconductores, banda ancha (brecha de banda superior a 2,2 eV) Los materiales semiconductores comenzaron a usarse en grandes cantidades.. Carburo de silicio, como representante típico de los semiconductores de tercera generación, tiene más que 200 estructuras espaciales, y diferentes estructuras corresponden a diferentes valores de banda prohibida, generalmente entre 2.4eV y 3.35eV. Además de banda ancha, Los materiales de carburo de silicio también tienen las ventajas de una alta intensidad de campo de ruptura., alta tasa de deriva de saturación y alta estabilidad, y máxima potencia.

banda ancha: mejorar la estabilidad del material y la fuerza del campo de ruptura

El ancho de banda prohibido determina las propiedades del material, amplia banda prohibida para mejorar un mejor rendimiento. El ancho de banda ancha es un indicador importante del rendimiento de los semiconductores.. Una banda más ancha significa mayores requisitos de excitación, es decir., formación más difícil de electrones y huecos, lo que da como resultado semiconductores de banda prohibida ancha que mantienen propiedades similares a las de un aislante cuando no se requieren para trabajar, lo que también los hace más estables., y una banda ancha también ayuda a mejorar la intensidad del campo eléctrico de ruptura, que a su vez mejora la capacidad de soportar el entorno operativo, como se refleja en En la mejor resistencia al calor y al alto voltaje, resistencia a la radiación.

La gran diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia en el sistema de banda ancha reduce la tasa de composición de electrones y huecos después de la excitación., lo que permite que se utilicen más electrones y huecos para la conductividad o la transferencia de calor, que es una de las razones de la mayor conductividad térmica y eléctrica del carburo de silicio.

 

En base a estas características, Los dispositivos de carburo de silicio pueden operar a intensidades más altas y también pueden disipar el calor más rápidamente., con temperaturas máximas de funcionamiento más elevadas. Las características de resistencia a altas temperaturas pueden conducir a un aumento significativo en la densidad de potencia al tiempo que reducen los requisitos para los sistemas de disipación de calor., permitiendo terminales más ligeros y pequeños. El alto ancho de banda prohibido del carburo de silicio también permite que los dispositivos de carburo de silicio pierdan mucha menos corriente que los dispositivos de silicio., reduciendo así la pérdida de energía; los dispositivos de carburo de silicio no tienen un seguimiento de corriente durante el proceso de apagado, lo que resulta en bajas pérdidas de conmutación y aumenta significativamente la frecuencia de conmutación de aplicaciones prácticas.

Alto voltaje de ruptura: Brindando mayor rango operativo y rango de potencia

Cuanto mayor sea el voltaje de ruptura, cuanto mayor sea el rango operativo y el rango de potencia. El voltaje de ruptura se refiere al voltaje al cual se rompe el dieléctrico. para semiconductores, una vez que se alcanza el voltaje de ruptura, el semiconductor pierde sus propiedades dieléctricas y se vuelve inoperable debido a la destrucción de su estructura interna, que es similar a la de un conductor. Por lo tanto, un campo de ruptura más alto significa un rango operativo y un rango de potencia más grandes, es decir., cuanto mayor sea el campo de desglose, el mejor.

Los dispositivos de carburo de silicio son más potentes, menor, y tienen menores pérdidas de energía. Debido a su mayor voltaje de ruptura, El carburo de silicio se puede utilizar ampliamente en la preparación de dispositivos de alta potencia., una ventaja que no puede ser reemplazada por semiconductores basados ​​en silicio. La mayor descomposición del carburo de silicio permite que los dispositivos de energía de carburo de silicio tengan capas de barrera más delgadas y más dopadas., que permite el uso de materiales de carburo de silicio para hacer que los dispositivos sean más delgados para los mismos requisitos, que puede servir para ahorrar espacio y aumentar la densidad de energía unitaria. Además, el alto campo de ruptura también permite que el carburo de silicio tenga una menor resistencia en el voltaje externo, y una menor resistencia de encendido significa una menor pérdida de energía.

Tasa de deriva de alta saturación: menos pérdida de energía

El carburo de silicio tiene una mayor tasa de deriva de saturación debido a su estructura interna. teóricamente, la velocidad de deriva se puede aumentar indefinidamente con el aumento del campo eléctrico externo, pero en la práctica, a medida que aumenta el campo eléctrico aplicado, la colisión entre los portadores dentro del material también aumenta, entonces hay una velocidad de deriva de saturación. En el caso del carburo de silicio, la estructura interna es muy buena para amortiguar colisiones, por lo que tiene una mayor tasa de deriva de saturación.

La alta tasa de deriva de saturación da como resultado una menor pérdida de energía.. Una alta tasa de deriva de saturación significa una migración de portadores más rápida y una menor resistencia. Esto también da como resultado pérdidas de energía mucho menores en materiales de carburo de silicio.. En comparación con el silicio, un MOSFET basado en carburo de silicio del mismo tamaño tiene 1/200 menor resistencia y 1/10 tamaño más pequeño que un MOSFET basado en silicio, y un inversor que usa un MOSFET basado en carburo de silicio del mismo tamaño tiene menos de 1/4 de la pérdida de energía total en comparación con un IGBT basado en silicio. Estas características proporcionan un fuerte apoyo a la aplicación de carburo de silicio materiales en inversores fotovoltaicos y dispositivos de alta frecuencia.

Cadena industrial de carburo de silicio

Los fabricantes extranjeros se presentan en su mayoría en modo IDM, mientras que las empresas nacionales se centran en enlaces individuales. La cadena de la industria del carburo de silicio se puede dividir en: sustrato, epitaxia, dispositivo, y uso final. La mayoría de las empresas extranjeras están en el modo IDM, como Wolfspeed, Rohm y STMicroelectronics (CALLE), mientras que las empresas nacionales se centran en la fabricación de un solo eslabón, como Tianke Heda y Tianyue Advanced en el campo de sustratos, Hantian Tiancheng y Dongguan Tiandian en el campo epitaxial, y Starr Peninsula y Tyco Tianrun en el campo de dispositivos.

Sustratos y epitaxia explican 70% del costo de los dispositivos de carburo de silicio. Debido a la dificultad de preparación del material., baja tasa de rendimiento y pequeña capacidad de producción, el valor de la cadena industrial actual se concentra en el sustrato y las partes epitaxiales, con las partes delanteras representando 47% y 23% del costo de los dispositivos de carburo de silicio, mientras que el diseño de back-end, Los segmentos de fabricación y embalaje representan sólo 30%.

Uso posterior del carburo de silicio

Vehículos de nueva energía

El nuevo sector de vehículos de energía traerá un gran incremento para los dispositivos de potencia de SiC. En vehículos de nueva energía, Los dispositivos de SiC se utilizan principalmente en los convertidores de frecuencia principales, OBC (cargadores a bordo), Convertidores de potencia DC-DC a bordo y dispositivos de carga DCDC de alta potencia. Con la introducción de plataformas de voltaje de 800 V por parte de los principales fabricantes de vehículos, el variador de frecuencia principal de los controladores de motor inevitablemente será reemplazado por SiC-MOS con IGBT basados ​​en silicio para satisfacer la demanda de alta corriente y alto voltaje, lo que traerá un gran espacio de crecimiento.

El módulo de potencia en el controlador de motor representa 8% del costo del vehiculo. Es responsable de convertir la salida de energía de CC de alto voltaje de la batería de energía en energía de CA trifásica con frecuencia y corriente variables., suministro de energía al motor de accionamiento, cambiar la velocidad y el par del motor, y rectificar la alimentación de CA trifásica del motor en alimentación de CC para cargar la batería de alimentación durante la recuperación de energía. El módulo de potencia representa 41% de su costo, o 8% del costo del vehiculo.

Los beneficios de usar dispositivos de carburo de silicio incluyen:

1) Aceleración mejorada. El uso de dispositivos de carburo de silicio permite que el motor de accionamiento soporte una mayor potencia de entrada a bajas velocidades, y por su alto rendimiento térmico, no teme los efectos térmicos y las pérdidas de potencia causadas por una corriente excesiva. Esto permite que el motor de accionamiento entregue más torque cuando el vehículo arranca, resultando en una mayor aceleración.

Los dispositivos de SiC se pueden utilizar para aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos al reducir las pérdidas en las dimensiones de encendido/apagado.. Según los datos de investigación de Infineon, La pérdida de apagado de SiC-MOS es de aproximadamente 20% de Si-IGBT a 25 °C de temperatura de unión, y 10% de Si-IGBT a 175 °C de temperatura de unión. General, el uso de dispositivos de SiC en vehículos de nueva energía puede aumentar la autonomía en 5-10%.

3) Aligeramiento. Gracias al rendimiento superior de SiC, Los dispositivos SiC pueden reducir el tamaño en los siguientes aspectos: 1) tamaño de paquete más pequeño, 2) menos filtros y componentes pasivos como transformadores, condensadores, inductores, etc., 3) menor tamaño del disipador de calor, y 4) menos capacidad de batería dentro del mismo rango. El inversor SiC diseñado por Rohm, por ejemplo, reduce el tamaño del inversor principal en 43% y el peso por 6 kg usando todos los módulos SiC.

4) Reducir el costo del sistema. Actualmente, Los dispositivos SiC son 4-6 veces más caro que los dispositivos basados ​​en silicio, pero el uso de dispositivos SiC ha dado como resultado una reducción significativa en el costo de la batería y un aumento en el rango, lo que a su vez ha reducido el costo total del vehículo. El aumento de coste del variador vectorial SiC-MOS es de aproximadamente $75-$200, pero el ahorro de costos de la batería, componentes pasivos, y el sistema de enfriamiento es $525-$850, una reducción significativa de los costes sistémicos. Por el mismo kilometraje, el inversor SiC puede ahorrar al menos $200 Por vehículo.

Inversores fotovoltaicos

Los dispositivos de energía de carburo de silicio pueden mejorar la eficiencia de conversión de los inversores fotovoltaicos y reducir las pérdidas de energía. En la generación de energía fotovoltaica, Los inversores convencionales basados ​​en dispositivos basados ​​en silicio representan actualmente alrededor de 10% del costo del sistema, pero son una de las principales fuentes de pérdidas de energía del sistema. Mediante el uso de SiC-MOS como material base, la eficiencia de conversión de los inversores fotovoltaicos se puede aumentar de 96% a más de 99%, La pérdida de energía se puede reducir en más de 50%, y el ciclo de vida del equipo se puede aumentar 50 veces, reduciendo así el tamaño del sistema, aumento de la densidad de potencia, extender la vida útil del dispositivo, y reduciendo el costo de producción. Alta eficiencia, alta densidad de potencia, alta confiabilidad y bajo costo son las tendencias futuras de los inversores fotovoltaicos. Se espera que los productos de carburo de silicio reemplacen gradualmente a los dispositivos basados ​​en silicio en inversores fotovoltaicos de cadena y centralizados.. Actualmente, hay pocas aplicaciones domésticas de inversores fotovoltaicos de carburo de silicio en el campo fotovoltaico, pero ya hay empresas de inversores fotovoltaicos en todo el mundo que utilizan inversores fotovoltaicos de carburo de silicio, como la serie TLM de Ingeteam en España.

Transporte ferroviario

en el transporte ferroviario, Los dispositivos semiconductores de potencia se utilizan ampliamente en vehículos ferroviarios., incluyendo convertidores de tracción, convertidores auxiliares, convertidores principal y auxiliar, transformadores electronicos de potencia, y cargadores de corriente. Entre ellos, el convertidor de tracción es el equipo central del sistema de transmisión de locomotoras de CA de alta potencia. La aplicación de dispositivos de carburo de silicio en convertidores de tracción de tránsito ferroviario puede ejercer en gran medida la alta temperatura, características de alta frecuencia y baja pérdida de dispositivos de carburo de silicio, mejorar la eficiencia de los dispositivos convertidores de tracción, satisfacer la demanda de alta capacidad, dispositivos convertidores de tracción ligeros y de bajo consumo para el transporte ferroviario, y mejorar la eficiencia general del sistema.

Red inteligente

En la red inteligente, en comparación con otros dispositivos electrónicos de potencia, el sistema de alimentación requiere un voltaje más alto, mayor capacidad de potencia y mayor confiabilidad. transmisión de CC, sistemas de distribución de energía y transmisión de CC de alto voltaje para promover el desarrollo y el cambio de la red inteligente.

campo de radiofrecuencia

En dispositivos de RF, Los dispositivos RF de GaN basados ​​en sustrato de carburo de silicio tienen las ventajas de la alta conductividad térmica del carburo de silicio y la salida de RF de alta potencia de GaN en la banda de alta frecuencia, y supere los defectos inherentes de GaAs y dispositivos LDMOS basados ​​en silicio para cumplir con los requisitos de comunicación 5G para rendimiento de alta frecuencia y capacidad de procesamiento de alta potencia. Los dispositivos de RF basados ​​en GaN se han convertido en la ruta tecnológica principal para los amplificadores de potencia 5G, especialmente para amplificadores de potencia de estación base macro.

Cálculo del espacio de mercado global del sustrato de carburo de silicio

Los sustratos de carburo de silicio son esenciales para la preparación de dispositivos de carburo de silicio y actualmente son la parte más costosa de los dispositivos de carburo de silicio.. Aquí, estimamos el espacio del mercado mundial y la demanda de sustratos de carburo de silicio de 2021 a 2025 en el campo de los vehículos de nueva energía y fotovoltaica, y pronostique el espacio total del mercado y la demanda de sustratos para sustratos de carburo de silicio con esta referencia.

Vehículos de nueva energía: 25 años la demanda puede alcanzar 3 millones de piezas, el espacio de mercado de más de 10 mil millones de yuanes

Para el pronóstico del mercado de vehículos de nueva energía, hacemos las siguientes suposiciones sobre parámetros clave:

El precio promedio actual del carburo de silicio de 6 pulgadas es 1000 A NOSOTROS. dolares, acerca de 6400 yuan / pedazo, debido al futuro desarrollo de la ruta técnica en las 6 pulgadas y la formación de nuevas economías de escala, Se espera que los precios del carburo de silicio muestren una tendencia general de reducción., para la tendencia de precio específica, nosotros 2021-2025 disminución del precio del sustrato en los siguientes tres supuestos:

• 1) 10% reducción;
• 2) 15% reducción;
• 3) 20% reducción.

El número de sustratos consumidos por vehículo.: Teniendo en cuenta que la futura caída de precios aumentará gradualmente la aplicación de carburo de silicio en vehículos de nueva energía, basado en el modelo actual 3 solo vehículo con 48 chips MOSFET de carburo de silicio, el número de sustratos de 6 pulgadas utilizados en un solo vehículo es de aproximadamente 0.16 piezas, y luego crecer gradualmente hasta 0.4 piezas en 2025.

Tasa de penetración: La tasa de penetración se define como el porcentaje de ventas de vehículos de nueva energía que utilizan dispositivos de SiC en las ventas totales de vehículos de nueva energía.. 14% tasa de penetración en 2021 y 6% se espera un crecimiento de la tasa de penetración de 2021-2025.

Combinado con los datos y suposiciones anteriores, en el 10%/15%/20% se espera reducción de precio, el mercado de sustratos de carburo de silicio en el campo de los vehículos de nueva energía puede alcanzar 12.8/10.2/80 mil millones de yuanes, y la demanda de sustrato correspondiente alcanzará 3.04 millones de piezas.

campo fotovoltaico: 25 demanda de años o más de 500,000 piezas, el espacio de mercado de 2 mil millones de yuanes

La nueva capacidad instalada global: Los sustratos de carburo de silicio se utilizan principalmente en inversores fotovoltaicos en la industria fotovoltaica., con una capacidad instalada global de 137GW en 2020 y se espera que supere los 400 GW en 2025, basado en 400GW como referencia. 2021 los datos se convierten a partir de datos relevantes en el informe anual de Sunshine Power, que es alrededor de 156GW.

Relación de costo de IGBT: Según los datos divulgados en el prospecto, la relación de costo de IGBT basado en silicio es de aproximadamente 10% del coste total de los inversores fotovoltaicos, y se supone que la relación de costo de IGBT basado en silicio se mantendrá sin cambios en los próximos años.

Precio del inversor: En 2021, los materiales de los inversores fotovoltaicos de Sunshine Power son básicamente materiales a base de silicio, con un volumen de ventas de 47 GW e ingresos comerciales de RMB 9.05 mil millones, por lo tanto, el precio de los inversores fotovoltaicos basados ​​en silicio es de aproximadamente 0,19 RMB/W. De acuerdo con los datos de cambio de precio del inversor de Sunshine Power de 2017 a 2021, el precio medio anual se reduce en unos 0,02 RMB/W. Por lo tanto, se espera que el precio disminuya gradualmente en el futuro. Por lo tanto, se espera que el precio disminuya gradualmente en el futuro, suponiendo que el precio disminuirá a razón de 0.02 Yuan/W por año a 0.13 Yuan/W.

Carburo de silicio / relación de precio de silicio: la relación de precios actual de los dispositivos de carburo de silicio y los dispositivos basados ​​en silicio es de aproximadamente 4, y en el futuro se espera que la relación de sustitución de costos se reduzca, la proporción de disminución debe estar positivamente correlacionada con el cambio de precio, por lo que se supone que la relación de sustitución de costos disminuye cada año.

Relación de costo de sustrato: La proporción de sustrato actual es 46%, y se espera que la relación disminuya a una tasa de 3% por año.

Tasa de penetración: La tasa de penetración aquí se refiere al porcentaje de inversores fotovoltaicos de carburo de silicio en el total de inversores.. Refiriéndose a los datos de CASA, la tasa de penetración es 10% en 2021, y se espera que crezca a un ritmo de 10% por año. Por 2025, la tasa de penetración alcanzará 50%.

Combinando los datos y suposiciones anteriores, La siguiente tabla muestra que el espacio de mercado crecerá a una CAGR de 39% y la demanda crecerá a una CAGR de 58%. Por 2025, el espacio de mercado alcanzará 2 mil millones de yuanes y la demanda de sustratos superará 500,000 piezas.

Estimación total del mercado

Según el informe de inversores de Wolfspeed, la proporción de vehículos de nueva energía + fotovoltaica en el mercado total de carburo de silicio es 77% en 2021, y se espera alcanzar 86% en 2027. Por lo tanto, la cuota de mercado en esta parte de la proyección es 77% en 2021, y se espera alcanzar 85% en 2025, basado en 2% tasa anual de crecimiento. Según los datos anteriores, el tamaño total del mercado de sustrato de carburo de silicio global crecerá de 1.9 mil millones de yuanes a 14.3 mil millones de yuanes de 2021 a 2025, y la demanda crecerá de 300,000 piezas a 4.2 millones de piezas.

Proveedores aguas arriba de carburo de silicio

Como proveedor líder de materia prima de carburo de silicio en China, Importación de abrasivos superiores de Henan & compañía de exportación, Limitado. ha suministrado constantemente alta calidad carburo de silicio negro y carburo de silicio verde a muchas empresas de carburo de silicio de todo el mundo, y nuestros mercados cubren EE.UU., Canada, México, Perú, Chile, Emiratos Árabes Unidos, Arabia Saudita, Rusia, España, Sudáfrica, El sudeste de Asia, etc.. Si tienes alguna demanda de micropolvo de carburo de silicio, grano macro de carburo de silicio, Póngase en contacto con nosotros para obtener la última oferta de carburo de silicio en 2022.