Clas Sic -ohutkangas

Clas SIC Wafer Fab perustettiin kesäkuussa 2017, ja se on maailman ensimmäinen avoin puolijohdetehdas, joka keskittyy yksinomaan piikarbidisten tehopuolijohteiden tuotantoon. Yrityksen toiminta kattaa prosessi- ja laitteistokehityksen, näytteiden valmistuksen sekä keskisuurten tuotantomäärien valmistuksen 150 mm:n piikiekkoilla.

Lochgellyssä toimiva yritys SCS International Ltd käy parhaillaan neuvotteluja useiden yritysten kanssa piikarbidituotannon perustamisesta Intiaan, vaikka talousjohtaja Scott Forrest kieltäytyi nimeämästä niitä julkisesti.

Tehopuolijohteiden valmistuslaitos

Puolijohdeteollisuus on kokenut räjähdysmäisen kasvun tekoälyn, 5G-verkkojen ja sähköautojen kysynnän voimakkaan nousun seurauksena. Jotta voidaan pysyä teknologisen innovaation vauhdissa ja investoida uuteen tuotantokapasiteettiin samalla kun pidetään piikiekkojen yksikkökustannukset alhaisina, on tuotantolaitoksissa hyödynnettävä edistyksellistä analytiikkaa ja tiedonkeruuta tehokkuuden ja laadun parantamiseksi. Valimot joutuvat pysymään kehityksen kärjessä seuraamalla teknologian kehitystä ja tekemällä tarvittavia investointeja samalla kun ne huolehtivat kustannusten tehokkaasta hallinnasta piikiekkojen tuotantokapasiteetin laajentamisessa ja uusiin tuotantokapasiteetti-investointeihin.

Tämän seurauksena monet yritykset uudistavat puolijohdeteollisuuden liiketoimintaansa ja tarjoavat erikoistuneita palveluita avainmarkkinoilla, kuten tehopuolijohteiden alalla. Lisäksi monet puolijohdetehtaat vahvistavat tutkimus- ja kehitystoimintaansa, jotta ne ovat valmiita vastaamaan tulevaisuuden teknologioiden, kuten 3 nm:n ja 2 nm:n solmujen, vaatimuksiin, jotka tarjoavat parempaa suorituskykyä entistä pienemmällä energiankulutuksella.

Tehopuolijohteiden käyttökohteet ulottuvat teollisuuslaitteista tehdasautomaatioon. Viime aikoina sähköautojen valmistuksen ja datakeskusten rakennushankkeiden kysynnän voimakkaan kasvun vuoksi valmistajat ovat kohdanneet useiden pieninä määrinä tarvittavien tehopuolijohdetyyppien saatavuusongelmia. Vastatakseen tähän tarpeeseen Toppan on äskettäin käynnistänyt tehopuolijohteiden tuotantoon erikoistuneen sopimusvalmistuspalvelun. Aluksi palvelu tarjoaa 6 tuuman piikiekkojen siirto-2- ja valmistusprosesseja, ja maaliskuussa 2025 tarjonta laajennetaan kattamaan myös 8 tuuman prosessit.

Tehopuolijohdekomponentit

Tehopuolijohdekomponentit ovat kaikkien tehoelektroniikkajärjestelmien ydin. Ne muuntavat sähköenergian käyttökelpoiseen muotoon integroiduille piireille ja järjestelmille, kuten sähköajoneuvoille, uusiutuvan energian voimalaitoksille ja pilvipalveluille. Komponenttien hyötysuhteen maksimointi on avaintekijä luotettavuuden, koon ja kustannusten parantamisessa näitä järjestelmiä rakennettaessa.

Pii-bipolaarijunctiontransistoreita (IGBT) ja metallioksidi-puolijohde-kenttävaikutustransistoreita (MOSFET) on käytetty laajalti jo pitkään, mutta ne ovat alkaneet saavuttaa rajansa, mikä edellyttää entistä tehokkaampia komponentteja, joilla on laajemmat kaistanleveydet, nopeammat nousu- ja laskuajat, pienemmät päälläolovastukset, suuremmat virrantiheydet ja lämpötilankestävyydet sekä parannetun kytkentäsuorituskyvyn.

Laajakaistavälin puolijohteet, kuten piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN), tarjoavat suuria mahdollisuuksia tämän tavoitteen saavuttamiseksi, sillä niiden laaja kaistaväli vähentää johtovastusta käyttämällä ohuempia kerroksia, joilla on pienempi johtovastus ja suurempi läpilyöntilujuus ilman, että muut olennaiset ominaisuudet, kuten elektronien liikkuvuus ja lämmönjohtavuus, heikkenevät.

Clas-SiC on maailman ensimmäinen avoin tuotantolaitos, joka on erikoistunut piikarbidisten tehopuolijohteiden valmistukseen. Se tekee yhteistyötä johtavien laitesuunnittelijoiden kanssa tutkimuksen ja kehityksen vauhdittamiseksi sekä tuotteiden markkinoille saattamisen nopeuttamiseksi. Kun testaat korkeajännitteisiä laitteita Keithley SourceMeter SMU -mittalaitteilla tai rakennat omia laitteitasi, muista, että niiden käsittely ja karakterisointi korkeajännitteisten tehopuolijohteiden kanssa vaatii erityistä varovaisuutta – sähköiskun tai loukkaantumisen välttämiseksi!

Tehopuolijohteiden kehittäminen

Kun maailmanlaajuiset sähköjärjestelmät sopeutuvat kasvaviin energiantarpeisiin, myös tehopuolijohteiden on sopeuduttava vastaavasti, jotta ne voivat muuntaa ja säätää sähkövirtaa ja jännitettä tehokkaasti. Piikarbidi (SiC) -yhdistepuolijohdeteknologia mahdollistaa näiden uusien laitteiden kehittämisen, mutta laitesuunnittelijoiden on ylitettävä merkittäviä esteitä voidakseen täyttää jatkuvasti kiristyvät suorituskyky- ja kokovaatimukset.

TechSci Researchin tutkimusjohtaja Karan Chechi korostaa, kuinka vaikeaa on parantaa tehokkuutta ja vastata samalla lämmönhallinnan haasteisiin. Tämän vuoksi teollisuus on siirtymässä käyttämään SiC:n ja GaN:n kaltaisia laajakaistaisia puolijohteita, joiden ominaisuudet ovat perinteisiin piilaitteisiin verrattuna ylivoimaiset – mikä johtaa parempaan hyötysuhteeseen, pienempiin häviöihin ja kevyempiin järjestelmiin, jotka täyttävät kestävän kehityksen tavoitteet – ja vauhdittaa innovaatioita teollisuudessa.

Laitteiden luotettavuuden parantaminen on toinen merkittävä haaste, joka edellyttää huolellista suunnittelua ja testausta, jotta korkea suorituskyky voidaan säilyttää korkeammissa lämpötiloissa ilman, että vakaus kärsii. Keithleyn SourceMeter SMU -laitteet tarjoavat hyödyllisiä testausvälineitä, joiden avulla voidaan suorittaa tarkkoja virta-, jännite- ja lämpötilamittauksia sekä muita mittauksia jo ennen kuin piirit on edes koottu piikiekkoihin.

Laitteiden karakterisointityökalut on myös suunniteltava käytettäväksi vaativissa olosuhteissa, mikä on erityisen tärkeää, koska tehoelektroniikkalaitteet tuottavat usein suuria jännitteitä, jotka voivat olla hengenvaarallisia, jos niitä käsitellään väärin. Turvallisuus on aina asetettava etusijalle käsiteltäessä tällaisia suuria jännitteitä; yksinkertaiset varotoimet, kuten mittausyhteisen liittäminen suojamaahan tai turvamaahan, voivat auttaa varmistamaan tämän.

Tehopuolijohteiden valmistus

SiC Power toimii maailman ensimmäisenä avoimena puolijohdetehtaana, joka on erikoistunut piikarbidisten tehopuolijohteiden valmistukseen ISO-luokan 5 puhdastilassa, SiC Power on maailman johtava toimija nopeutetun prosessitutkimuksen ja -kehityksen, laite- ja integroitujen piirien suunnittelun, näytteiden valmistuksen sekä 150 mm:n piikiekkojen keskisuurten tuotantomäärien alalla, samoin kuin 150 mm:n piikiekkojen keskisuurten tuotantomäärien nopeutetun prosessitutkimuksen ja -kehityksen alalla.

Kun etuvaiheen prosessi on saatu päätökseen, jokaiselle piikiekolle tehdään erilaisia sähköisiä testejä sen varmistamiseksi, että jokainen siru toimii tarkoitetulla tavalla. Näiden testien läpäisseiden sirujen osuus – jota kutsutaan tuotoksi – vaihtelee valmistajittain, mutta se voi olla jopa vain 30%; tämä tarkoittaa, että vain kolmasosa piikiekon siruista toimii kunnolla! Jotta vikoja sisältäviä osia ei asennettaisi kalliisiin laitteisiin, kuten sähköautoihin (EV), testaus on suoritettava ennen piikiekkojen lähettämistä uusien laitteiden valmistukseen.

Teknologian kehityksen odotetaan vauhdittavan maailmanlaajuisen tehopuolijohdemarkkinoiden kasvua. Myös teollisuuden automaatio edistää markkinoiden kasvua. Lisäksi lukuisat hallitusten aloitteet puolijohdeteollisuuden vahvistamiseksi ympäri maailmaa tukevat kasvua.