Introdução
Os avanços tecnológicos na indústria de eletrônica de potência estão em ascensão graças aos wafers de carboneto de silício. Esses materiais semicondutores especializados oferecem atributos únicos que os tornam as melhores opções para a produção de dispositivos que exigem alta frequência e alta potência. Este artigo explorará os wafers de carboneto de silício, suas características e aplicações.
Características dos wafers de carboneto de silício
Uma pastilha de carboneto de silício (SiC) é uma peça fina de material cristalino produzida a partir do composto semicondutorCarboneto de Silício. Esses dois elementos na pastilha semicondutora têm seus átomos ligados covalentemente, criando uma estrutura cristalina rígida conhecida por ser altamente estável. Em seu núcleo, possui dureza notável e a capacidade de conduzir calor, mantendo bons níveis de desempenho em dispositivos.
Os wafers de SiC possuem uma ampla banda proibida (aproximadamente 3,3 eV) que permite que quaisquer dispositivos em que sejam colocados produzam seus melhores resultados sob altas temperaturas e tensões.
Os wafers de carboneto de silício podem assumir diversas formas, sendo os principais os formatos 4H-SiC e 6H-SiC, utilizados em diversos setores, especialmente na indústria de eletrônica de potência. A estrutura da rede cristalina do wafer é representada pela letra H, enquanto a sequência de empilhamento dos átomos dentro da estrutura cristalina é representada pelos números 4 e 6.
Essas pastilhas semicondutoras, ou substratos, como às vezes são chamadas, são excelentes na transferência de calor de um ponto a outro, resistindo à oxidação, aumentando a eficiência e, além disso, tornando-as superiores às pastilhas de silício. Elas apresentam excelente condutividade elétrica; portanto, são utilizadas em aplicações que vão de veículos elétricos (VEs) a chips de computador, indústria aeroespacial, lasers, LEDs, receptores ópticos, diodos Schottky, transistores MOSFET, células solares e circuitos integrados.
Com um diâmetro padrão entre 150 mm e 200 mm e uma planura elegante, os dispositivos de wafer de SiC tendem a ter velocidades de comutação melhores e mais rápidas, tamanhos menores e uma imunidade impressionante ao superaquecimento devido à sua capacidade de gerenciar altas temperaturas e tensões.
Dopagem de wafers de SiC
Para controlar as propriedades elétricas de wafers de carboneto de silício, um processo chamado dopagem tem sido adotado ao longo do tempo. Consiste na introdução de impurezas em wafers de SiC por meio de diversas técnicas, como implantação iônica e dopagem imóvel durante o crescimento epitaxial. Essas diversas técnicas, ao longo do tempo, foram aprimoradas, levando à ativação e às concentrações controladas de dopagem. Alguns desses dopantes incluem o nitrogênio (tipo n) rico em elétrons e o boro, que controla a condutividade do tipo p.
Tipos de wafers de SiC
Existem dois tipos principais de wafers de SiC:
-
Wafer de SiC polido
-
Wafer de SiC cristalino epitaxial
O wafer de SiC polido é um disco único de carboneto de silício composto por cristais de SiC altamente purificados, utilizados principalmente em eletrônicos de alta potência. Estão disponíveis em diâmetros que variam de 100 mm a 150 mm.
Por outro lado, o tipo wafer de SiC cristalino epitaxial, também chamado de epitaxia tipo n, é formado pela adição de vários cristais de carboneto de silício a uma superfície. Aqui, a espessura do material é cuidadosamente controlada.
Propriedades das pastilhas de carboneto de silício
Algumas das qualidades únicas que tornam os wafers de SiC excepcionais são:
1. Utilização eficiente de energia.
2. Longevidade e capacidade de trabalhar em altas frequências.
3. Capacidade de operar em temperaturas de até 200°C.
4. Baixas perdas de comutação.
5. Alta condutividade térmica
6. Menor expansão térmica.
7. Forte mobilidade de elétrons e lacunas.
8. Alto campo elétrico de ruptura.
9. Resistência térmica impressionante.
10. Excelente resistência à oxidação e condições adversas.
Comparação entre wafers de carboneto de silício de grau primário e de pesquisa
Quando se trata de wafers de carboneto de silício, geralmente há duas classes diferentes disponíveis: as de grau Prime e as de grau Research. No entanto, ambas as classes têm seus prós e contras. Fatores como custo de aquisição, aplicação e defeitos nas densidades podem ser vitais na hora de fazer sua escolha.
Wafers de carboneto de silício de primeira qualidade
Você pode usar este tipo de wafer para aplicações de ponta que exigem um nível altíssimo de desempenho e confiabilidade. Este wafer de carboneto de silício de alta qualidade possui altos níveis de pureza e uma baixíssima densidade de defeitos, o que o torna uma boa opção a ser considerada. Essa qualidade permite que eles tenham um ótimo desempenho em qualquer condição, com poucos ou nenhum erro.
Wafers de SiC de primeira qualidade são muito úteis nos setores aeroespacial, computação de ponta, tecnologia de chips de computador, conversores de energia e eletrônica de potência. Isso ocorre porque esses setores não apresentam margem para falhas, o que torna esse wafer mais caro quando comparado a outras variantes de nível de pesquisa.
Características - Wafers de SiC de primeira qualidade:
1. Os wafers de SiC de primeira qualidade geralmente têm uma área útil de aproximadamente 90%.
2. Eles também têm uma densidade de defeitos muito baixa.
3. Essas bolachas possuem uma densidade de microtubos de 5/cm².
4. Eles exibem resistividade uniforme de cerca de 90%.
5. Os wafers de SiC de primeira qualidade têm os melhores valores em termos de espessura geral, deformações e curvaturas, o que os torna semicondutores eficientes e estáveis.
Wafers de carboneto de silício de grau de pesquisa
Este tipo de wafer oferece um equilíbrio entre qualidade e custo. Se você busca desenvolver, criar novas ideias e inovações, ou talvez queira experimentar em projetos de semicondutores, os wafers de SiC de nível de pesquisa são a sua opção. Esses wafers não oferecem tanta precisão quanto os wafers de SiC de nível premium, pois apresentam maior densidade de defeitos e maior variabilidade.
Embora esses wafers ainda possam oferecer uma quantidade razoável de operações de alto padrão, eles são feitos especificamente para serem econômicos e adequados para experimentação e projetos menos críticos, como trabalhos acadêmicos e de pesquisa.
Características - Wafers de carboneto de silício de grau de pesquisa:
1. Esses wafers têm uma área útil de cerca de 80%.
2. Eles também têm uma densidade de defeitos maior e uma densidade de microtubos de 10/cm²
3. Sua resistividade uniforme é de cerca de 80%.
5. Eles têm espessura, valores de arco e empenamento melhores, mas não ideais.
Você viu claramente que, ao escolher entre wafers de SiC de grau Prime ou de pesquisa, a melhor opção para você depende do uso que você pretende fazer. Por exemplo, se você é um estudante universitário pesquisando um novo semicondutor, os wafers de SiC de grau de pesquisa podem ser a melhor opção, mas seria diferente se você fosse um fabricante que busca produzir aplicações de ponta com o mínimo de margem para erros.
As várias maneiras pelas quais os wafers de SiC podem ser aplicados
Existem diversas áreas onde wafers de SiC podem ser aplicados, incluindo dispositivos de potência como diodos Schottky e transistores MOSFET. Também podem ser aplicados em optoeletrônica, chips de computador, infraestruturas sem fio e operações aeroespaciais e militares, como sistemas de comunicação por satélite e sistemas de radar, sistemas de energia renovável, incluindo inversores de sistemas solares, conversores de turbinas eólicas, projetos hidrelétricos, etc.
Tendência internacional atual e valor de mercado dos wafers Sic
Se você observar atentamente o valor de mercado atual e as tendências globais dos wafers de SiC, verá que as aplicações com wafers de SiC estão ganhando força significativamente. Desde que o 5G foi inventado e começou a ser adotado em massa em todo o mundo, a demanda por wafers de SiC disparou.
Em 2021, o valor de mercado dos wafers de SiC atingiu aproximadamente $367,8 milhões, apresentando agora uma Taxa de Crescimento Anual Corrente (CAGR) de 19,1%. Apesar de uma queda de 12,1% em 2020 devido à pandemia global de COVID-19, analistas de mercado projetam que o valor ultrapassará $1,4 bilhão até 2029. Curiosamente, a América do Norte tornou-se um dos principais contribuintes para o mercado de wafers de carboneto de silício, enquanto a Shin-Etsu Chemical continua sendo a maior fornecedora mundial de wafers de SiC.
No entanto, aqui em GGSCerâmica, oferecemos uma ótima combinação de wafers de SiC de alta qualidade e preços acessíveis para satisfazer suas necessidades de semicondutores.
Perguntas frequentes
Por que semicondutores são usados em chips?
Semicondutores são usados em chips devido à sua capacidade de controlar adequadamente o fluxo de correntes elétricas no sistema sem necessariamente interromper as funções gerais do sistema.
O que diferencia os wafers de silício dos wafers de carboneto de silício?
Os wafers de carboneto de silício têm uma banda proibida dez vezes maior que a dos wafers de silício. Isso significa que podem suportar temperaturas e tensões mais altas e também apresentam melhor condutividade térmica do que os wafers de silício.
Por que wafers semicondutores são comumente usados em eletrônicos?
Wafers semicondutores são comumente usados em eletrônica porque têm a capacidade inerente de conduzir o fluxo de eletricidade e também controlá-lo eficazmente, facilitando sua atuação como sistema de controle do fluxo de corrente elétrica entre os componentes de um dispositivo elétrico. Essa característica especial também demonstra por que eles ainda são usados na produção de chips de computador e circuitos integrados.
Conclusão
Embora ainda ofereçam alto desempenho a baixo custo, os wafers de carboneto de silício tornaram-se, sem dúvida, um importante catalisador para o crescimento da indústria de semicondutores em todo o mundo. Com suas inúmeras aplicações na eletrônica de potência, na indústria aeroespacial e em diversas outras inovações impressionantes, certamente estão quebrando recordes e estabelecendo novos em breve.