Liczba wyświetleń:0 Autor:山川 Wysłany: 2024-08-29 Źródło:新型陶瓷
Materiały z węglika krzemu obejmują głównie monokryształy i ceramikę 2 kategorii, czy to w postaci monokryształu, czy ceramiki, materiały z węglika krzemu stały się jednym z kluczowych materiałów półprzewodników, nowych pojazdów energetycznych, fotowoltaiki i innych trzech miliardów torów. Na przykład:
jeśli chodzi o monokryształ, węglik krzemu, będący obecnie najbardziej dojrzałym materiałem półprzewodnikowym trzeciej generacji, można określić jako najcieplejszy materiał półprzewodnikowy ostatnich lat. Zwłaszcza w kontekście strategii „podwójnego węgla” węglik krzemu jest głęboko powiązany z branżami oszczędzania energii i redukcji emisji dwutlenku węgla, takimi jak nowe pojazdy energetyczne, fotowoltaika, magazynowanie energii i tak dalej.
W ceramice węglik krzemu ze swoją doskonałą wytrzymałością w wysokich temperaturach, wysoką twardością, wysokim modułem sprężystości, wysoką odpornością na zużycie, wysoką przewodnością cieplną, odpornością na korozję i innymi właściwościami, w ostatnich latach wraz z pojawieniem się nowych pojazdów energetycznych, półprzewodników, fotowoltaiki i innych gałęzi przemysłu spadł, a popyt wybuchł głęboko w kluczowych ogniwach łańcucha przemysłowego tych wschodzących dziedzin.
Dziś odpowiednio z kierunku monokryształów i ceramiki przyglądamy się, jak materiały z węglika krzemu w tych gorących torach to wielka masakra.
Pojedynczy kryształ/półprzewodnik
Przyjdź znikąd, aby sprostać trudnym do spełnienia wymaganiom wydajnościowym urządzeń opartych na krzemie
Krzem od dawna jest najczęściej używanym materiałem do produkcji chipów półprzewodnikowych, a ponad 90% produktów półprzewodnikowych jest obecnie wykonanych z krzemu jako podłoża. Powodem jest to, że rezerwa krzemu jest duża, koszt jest stosunkowo niski, a przygotowanie jest stosunkowo proste. Jednak zastosowanie krzemu w optoelektronice i urządzeniach o wysokiej częstotliwości i dużej mocy zostało utrudnione, a działanie krzemu przy wysokich częstotliwościach jest słabe i nie nadaje się on do scenariuszy zastosowań wysokiego napięcia. Ograniczenia te sprawiają, że coraz trudniej jest urządzeniom zasilającym opartym na krzemie spełniać wymagania dotyczące dużej mocy i wysokiej częstotliwości urządzeń w nowych zastosowaniach, takich jak nowe pojazdy energetyczne i kolej dużych prędkości.
W tym kontekście w centrum uwagi znalazł się węglik krzemu. W porównaniu z materiałami półprzewodnikowymi pierwszej i drugiej generacji, SiC ma szereg doskonałych właściwości fizycznych i chemicznych, oprócz szerokości pasma wzbronionego, ale ma także wysokie pole elektryczne przebicia, wysoką prędkość elektronów w stanie nasycenia, wysoką przewodność cieplną, wysoką gęstość elektronową i wysokie właściwości ruchowe. Krytyczne pole elektryczne przebicia SiC jest 10 razy większe niż w przypadku Si i 5 razy większe w przypadku GaA, co poprawia pojemność napięciową, częstotliwość roboczą i gęstość prądu urządzeń opartych na SiC oraz zmniejsza straty włączenia urządzeń. W połączeniu z wyższą przewodnością cieplną niż Cu, urządzenie nie wymaga dodatkowego urządzenia odprowadzającego ciepło, gdy jest używane, zmniejszając objętość całej maszyny. Ponadto urządzenia SiC mają wyjątkowo niskie straty włączenia i wyłączenia i mogą utrzymać bardzo dobre parametry elektryczne przy bardzo wysokich częstotliwościach. Na przykład przejście ze schematu trzypoziomowego opartego na urządzeniach Si na schemat dwupoziomowy oparty na SiC może zwiększyć wydajność z 96% do 97,6% i zmniejszyć zużycie energii nawet o 40%. Dlatego urządzenia SiC mają ogromne zalety w scenariuszach niskiego zużycia energii, miniaturyzacji i zastosowań o wysokiej częstotliwości.
Urządzenia z węglika krzemu stały się „ciastem” dla gorących torów, takich jak nowe pojazdy energetyczne i fotowoltaika.
(1) Nowe pojazdy energetyczne
Materiał z węglika krzemu może zmniejszać objętość urządzenia, a jego wydajność staje się coraz lepsza, dlatego w ostatnich latach faworyzowali go producenci pojazdów elektrycznych. Pięć lat temu Tesla objęła wiodącą rolę w zastosowaniu węglika krzemu w falowniku napędu głównego modelu 3, wprowadzając pierwszy węglik krzemu „w samochodzie”. Następnie BYD, Geely, SAIC Volkswagen, NIO i inne firmy samochodowe przyspieszyły układ, zwiększyły moc, poprawiając zasięg jazdy, osiągając superszybkie ładowanie, osiągając funkcje V2G itp., A także ciągły wzrost sprzedaży pojazdów elektrycznych doprowadził również do na zapotrzebowanie rynku na urządzenia zasilające z węglika krzemu, wywołując „ciepło samochodowe” z węglika krzemu, które trwa do dziś.
Ponadto w ładowarkach samochodowych zastosowanie węglika krzemu pozwala uzyskać większą częstotliwość przełączania FSW, wyższą wydajność, dwukierunkową pracę, mniejsze elementy pasywne, mniejszy rozmiar systemu i niższe koszty systemu. Dlatego obecnie, zgodnie z charakterystyką urządzeń z węglika krzemu i trendem rozwojowym pojazdów elektrycznych, nieuniknionym wyborem są urządzenia z węglika krzemu lub przyszłe pojazdy elektryczne.
(2) Tranzyt kolejowy
W porównaniu z tradycyjnymi tranzystorami IGBT na bazie krzemu, urządzenia zasilające z węglika krzemu mogą skutecznie zwiększyć częstotliwość przełączania i zmniejszyć straty przełączania, a ich wysoka częstotliwość może dodatkowo zmniejszyć hałas, temperaturę, objętość i wagę urządzeń pasywnych, poprawić mobilność i elastyczność zastosowań urządzeń, co stanowi główny kierunek rozwoju nowej generacji technologii falowników trakcyjnych. Obecnie urządzenia SiC są stosowane w systemach transportu kolei miejskiej, a pociąg 0312 linii kolejowej Suzhou 3 jest pierwszym projektem systemu trakcji z napędem bezpośrednim z magnesami trwałymi w Chinach, opartym na technologii konwerterów SiC, pozwalającym osiągnąć cel 20% oszczędności energii trakcyjnej. W 2012 roku tokijska linia metra Ginza przeprowadziła pierwszy na świecie test działania ładowania urządzeń SiC. Od 2015 roku Japonia zaczęła wdrażać dużą liczbę urządzeń SiC w pojazdach kolejowych, a do 2021 roku weszła ona w fazę powszechnego stosowania.
Pociąg metra z napędem bezpośrednim z węglika krzemu i magnesem trwałym
(3) wytwarzanie energii fotowoltaicznej
W zastosowaniach związanych z wytwarzaniem energii fotowoltaicznej koszt tradycyjnych falowników opartych na urządzeniach krzemowych stanowi około 10% systemu, ale jest to jedno z głównych źródeł strat energii w systemie. Po ponad 40 latach rozwoju wydajność konwersji i gęstość mocy urządzeń opartych na krzemie osiągnęły teoretyczne granice. Zastosowanie materiałów z węglika krzemu może zwiększyć wydajność konwersji z 96% do ponad 99%, zmniejszyć zużycie energii o ponad 50% i wydłużyć żywotność sprzętu 50-krotnie. Na przykład w falownikach szeregowych do systemów fotowoltaicznych w obiektach mieszkalnych i komercyjnych urządzenia z węglika krzemu zapewniają korzyści pod względem kosztów i wydajności na poziomie systemu. Wiodący producenci falowników fotowoltaicznych, tacy jak Solar Power, zastosowali w swoich falownikach urządzenia z węglika krzemu.
(4) Inteligentna sieć
Wyłącznik zasilania z węglika krzemu ze względu na jego wyjątkowo niską rezystancję w stanie otwartym i może być stosowany przy wysokim ciśnieniu, wysokiej temperaturze i wysokiej częstotliwości, jest idealnym zamiennikiem urządzeń na bazie krzemu, jeśli zastosowanie modułu mocy z węglika krzemu jest w porównaniu z zastosowanie krzemowego urządzenia zasilającego, straty mocy spowodowane stratami przełączania można zmniejszyć ponad 5 razy, objętość i waga zmniejszone o 40%, będzie to miało znaczący wpływ na przyszły kształt sieci energetycznej i dostosowanie strategii energetycznej.
(5) Urządzenia do komunikacji bezprzewodowej
Rozwój sieci 5G przyczynił się do wzrostu popytu na urządzenia z azotku galu na bazie krzemu, a przestrzeń rynkowa jest szeroka. W mikrofalowych urządzeniach RF wzmacniacze mocy bezpośrednio określają kluczowe parametry, takie jak odległość komunikacji bezprzewodowej i jakość sygnału między terminalami mobilnymi a stacjami bazowymi, a funkcje komunikacji 5G, takie jak wysoka częstotliwość, duża prędkość i duża moc, mają wyższe wymagania dotyczące jej wydajności. Urządzenia RF z azotku galu z węglikiem krzemu jako podłożem mają zalety wysokiej przewodności cieplnej węglika krzemu i dużej mocy wyjściowej RF azotku galu w paśmie wysokich częstotliwości, a ich zastosowania we wzmacniaczach mocy mogą spełniać wymagania komunikacji 5G w zakresie wydajności w wysokich częstotliwościach i duża moc przetwarzania.
Zakłady kapitałowe, węglik krzemu w zimie półprzewodników
W cyklu spadkowym w przemyśle półprzewodników nie jest to ponury dźwięk, węglik krzemu jest kontrprzykładem złego samopoczucia. W ostatnich latach rynek kapitałowy jest bardzo zaniepokojony węglikiem krzemu.
W 2021 roku szereg przedsiębiorstw z branży węglika krzemu zyskało przychylność instytucji inwestycyjnych i ogłosiło zakończenie finansowania, a branża również wywołała falę finansowania.
Rok 2022 to także rok inwestycji i finansowania węglika krzemu. Według niepełnych statystyk roczna kwota inwestycji, finansowania oraz fuzji i przejęć w 2022 r. przekroczyła 3,3 miliarda juanów, a liczba ta osiągnęła ponad 30. Tylko w grudniu 2022 r. było siedem przypadków finansowania, w tym Zhen Drive Technology, rdzeń Poly Energy , Yiwen Technology, Zhanxin Electronics, Nansha Wafer itp.
Tuż po pierwszej połowie 2023 r. kwota finansowania przedsiębiorstw z branży węglika krzemu osiągnęła nowy najwyższy poziom od trzech lat. W pierwszym kwartale tego roku łącznie 21 finansowania w dziedzinie węglika krzemu, w tym epitaksja, podłoża, materiały, sprzęt, urządzenia energetyczne... Finansowanie obejmuje prawie cały krajowy łańcuch przemysłu węglika krzemu. Spośród tych 21 przedsiębiorstw, poza tym, że niektóre przedsiębiorstwa nie ujawniły kwoty finansowania, 10 przedsiębiorstw otrzymało finansowanie o wartości ponad 100 milionów juanów, co stanowi około 50% całości. Wśród nich największym finansowaniem jest Tianyu Semiconductor, które wynosi 1,2 miliarda. W drugim kwartale tego roku odbyło się ponad 10 finansowania na łączną kwotę ponad 5 miliardów juanów.
Budowa fabryk i rozszerzanie produkcji nie ustały
Dane pokazują, że w pierwszej połowie roku projekty ekspansji związane z węglikiem krzemu i oczekiwanymi nakładami inwestycyjnymi wyniosą łącznie ponad 100 miliardów juanów (w przeliczeniu na RMB), zakres ekspansji dotyczy głównie około podłoże, epitaksja i urządzenia, a kierunek aplikacji opiera się głównie na pojazdach elektrycznych.
W styczniu tego roku niemiecka Grupa Bosch ogłosiła w Suzhou ważną wiadomość: zainwestuj kolejny 1 miliard dolarów w budowę nowych kluczowych komponentów pojazdów energetycznych oraz projekt badawczo-rozwojowy i bazę produkcyjną pojazdów autonomicznych, którego zakres produkcji obejmuje moduły mocy z węglika krzemu. Następnie w kwietniu Bosch podjął decyzję o zakupie producenta półprzewodników TSI Semiconductors i zainwestowaniu kolejnych 1,5 miliarda dolarów w rozwój produkcji półprzewodników trzeciej generacji, aby sprostać zapotrzebowaniu rynku pojazdów elektrycznych.
W lutym tego roku Wolfspeed, amerykański producent półprzewodników, oficjalnie ogłosił plany budowy największego i najbardziej zaawansowanego na świecie zakładu produkującego urządzenia z węglika krzemu w Saarze w Niemczech. Zakład będzie największym na świecie producentem półprzewodników 8-calowych, w którym zastosowano innowacyjny proces produkcyjny do produkcji urządzeń z węglika krzemu nowej generacji.
Jednocześnie nie ustały działania mające na celu rozwój krajowej produkcji węglika krzemu.
W czerwcu tego roku spółki SAN zajmujące się optoelektroniką i stmicroelectronics wspólnie ogłosiły, że obie strony zamierzają zainwestować 3,2 miliarda dolarów (około 22,8 miliarda juanów) w budowę 8-calowej odlewni epitaksjalnych chipów z węglika krzemu. Jednocześnie SAN „an Optoelectronics utworzy 8-calową fabrykę podłoży z węglika krzemu jako obiekt pomocniczy, a łączna wartość inwestycji szacowana jest na 7 miliardów juanów. Ponadto Tianke Heda, Han Tiantian, Tianyue Advanced i inne firmy ogłosiły swoje nowe plany inwestycyjne i ekspansji.
Aspekt ceramiczny
Ceramika, powszechnymi materiałami ceramicznymi są węglik krzemu, tlenek glinu, azotek krzemu itp., które są materiałami z węglika krzemu ze względu na bardzo wysoki moduł sprężystości, przewodność cieplną i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, niełatwe do wytworzenia odkształcenia naprężenia zginającego i odkształcenia termicznego i innych właściwości, takie jak doskonała ceramika konstrukcyjna i materiały wysokotemperaturowe, w litach, półprzewodnikach, fotowoltaice i innych dziedzinach znajdują coraz więcej zastosowań.
Popularny materiał na precyzyjne elementy sprzętu półprzewodnikowego, takiego jak maszyny litograficzne
Ceramika jest kluczowym materiałem składowym kluczowych urządzeń półprzewodnikowych, takich jak maszyna do trawienia, wywoływacz powłok, maszyna litograficzna, maszyna do implantacji jonów, a jej koszt stanowi ponad 10% kosztu sprzętu półprzewodnikowego. Wśród nich ceramika z węglika krzemu jest szeroko stosowana w urządzeniach procesowych od przodu do tyłu w produkcji półprzewodników, takich jak przyssawki do szlifowania i polerowania, przyssawki litograficzne, przyssawki wykrywające, precyzyjne platformy ruchu, części trawiące z węglika krzemu o wysokiej czystości ogniwo, precyzyjne systemy ruchu w pakowaniu i ogniwie detekcyjnym itp., które są niezwykle istotne.
(1) W maszynie litograficznej
W wysokiej klasy maszynach litograficznych, aby osiągnąć wysoką dokładność procesu, konieczne jest szerokie zastosowanie części ceramicznych o dobrym związku funkcjonalnym, stabilności strukturalnej, stabilności termicznej, dokładności wymiarowej, takich jak uchwyt E, uchwyt próżniowy, blok, magnetyczny rama stalowa, płyta chłodząca wodę, lustro, szyna prowadząca itp. Pod tym względem odpowiednia jest ceramika z węglika krzemu.
(2) W sprzęcie do trawienia
W sprzęcie do trawienia plazma w wyniku działania fizycznego i reakcji chemicznej spowoduje poważną korozję na powierzchni urządzenia, z jednej strony skracając żywotność części, zmniejszając wydajność sprzętu, z drugiej strony produkty reakcji powstające podczas procesu korozji ulatniają się i odpadają, tworząc cząsteczki zanieczyszczeń w komorze procesowej, wpływając na czystość komory. Dlatego też odporność na trawienie plazmowe wnęki i materiałów składowych wnęki staje się bardzo ważna.
SiC jako materiał wnęki maszyny do trawienia, w porównaniu z kwarcem, sam materiał wytwarza mniej zanieczyszczeń, ze względu na lepsze właściwości mechaniczne, podczas bombardowania plazmowego jego powierzchni atomowej, stopień utraty atomu jest stosunkowo niewielki, Mitsui zgłosił materiał kompozytowy SiC jako materiał wnęki maszyny do trawienia powietrznego, o wysokiej odporności na korozję.
Jeśli chodzi o elementy pierścieni ogniskujących, ich rolą jest zapewnienie zrównoważonej plazmy, wymagającej przewodności podobnej do płytek krzemowych. Materiałem stosowanym w przeszłości był głównie krzem przewodzący, jednak plazma zawierająca fluor reagowała z krzemem, tworząc lotny fluorek krzemu, co znacznie skracało jego żywotność, skutkując częstą wymianą komponentów i zmniejszoną wydajnością produkcji. SiC i monokryształ Si mają podobną przewodność i lepszą odporność na trawienie plazmowe i mogą być stosowane jako materiał pierścienia ogniskującego.
Jako kluczowy materiał eksploatacyjny materiałów półprzewodnikowych do trawienia plazmowego, pierścień trawiący SiC ma wysokie wymagania w zakresie czystości. Ogólnie rzecz biorąc, do hodowli bloków grubowarstwowych SiC można stosować wyłącznie proces CVD, a następnie przygotowuje się go poprzez precyzyjną obróbkę, głównie w celu przygotowania procesu trawienia półprzewodników.
Piec ceramiczny z węglikiem krzemu – „za kulisami” zajmujący się spiekaniem materiałów litowo-elektrycznych
Jako nowa gałąź energetyki nie trzeba opisywać, ile litu obecnie spala się. Materiał anodowy akumulatora litowo-jonowego, materiał anodowy i suszenie elektrolitu, spiekanie i obróbka cieplna oraz inne procesy, piec rolkowy jest kluczowym sprzętem do ciągłej produkcji, wyposażenie pieca to kluczowe akcesoria pieca, jego recykling w piecu przemysłowym, używany do wspierania lub ochrony spalone produkty z wyrobów ogniotrwałych, napędzane pozytywną ekspansją materiału, rozszerzyło zastosowanie mebli do pieców. Piec ceramiczny z węglika krzemu o doskonałych właściwościach mechanicznych w wysokich temperaturach, odporności ogniowej i odporności na szok termiczny stosowany w piecu ceramicznym, może poprawić wydajność produkcyjną pieca, znacznie zmniejszyć zużycie energii, stać się różnorodnymi materiałami do wypalania w idealnym doborze materiałów do pieca.
Przemysł fotowoltaiczny - Kluczowe materiały samochodowe w procesie produkcji ogniw
Wśród ceramiki z węglika krzemu wspornik łodzi z węglika krzemu stał się dobrym wyborem dla kluczowych materiałów pojazdów w procesie produkcji ogniw fotowoltaicznych, a jego zapotrzebowanie na rynku jest w coraz większym stopniu zaniepokojone przez branżę.
Obecnie powszechnie stosowane kwarcowe wsporniki do łodzi, skrzynie do łodzi, łączniki rur itp. są ograniczone przez krajowe i międzynarodowe źródła piasku kwarcowego o wysokiej czystości, przy małych zdolnościach produkcyjnych i w kontekście rosnącego zapotrzebowania na piec monokrystaliczny tygiel w górnym biegu przemysłu fotowoltaicznego i materiały eksploatacyjne do akumulatorów krzemowych w środkowym biegu, piasek kwarcowy o wysokiej czystości charakteryzuje się ograniczoną podażą i popytem oraz długoterminową pracą przy wysokich cenach. Jako urządzenie przenoszące krzem w procesie produkcji ogniw fotowoltaicznych, nośnik kwarcowy charakteryzuje się stabilną pracą, jednak kłóci się to ze standardem doboru materiałów eksploatacyjnych charakteryzujących się wysoką jakością i niską ceną.
W porównaniu z materiałami kwarcowymi, materiałami z węglika krzemu wykonanymi ze wsporników do łodzi, skrzyń do łodzi, produktów rurowych i innych materiałów o dobrej stabilności termicznej, stosowania w wysokich temperaturach bez deformacji, bez szkodliwego wytrącania się zanieczyszczeń, jako doskonały materiał alternatywny dla produktów kwarcowych, żywotność może osiągnąć ponad 1 rok, może znacznie zmniejszyć koszty użytkowania oraz straty linii konserwacyjnych i naprawczych spowodowane produkcją, korzyści kosztowe są oczywiste. Jako pojazd ma szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinie fotowoltaiki.
Obecnie stopień penetracji fotowoltaiki w największych gospodarkach świata stale rośnie, napędzany wytycznymi polityki krajowej i popytem rynkowym, przy znacznie obniżonych kosztach energii elektrycznej w przemyśle fotowoltaicznym, a według IEA wytwarzanie energii fotowoltaicznej stało się najbardziej ekonomiczną energią energetyczną na świecie prognoza zakłada, że zainstalowana moc fotowoltaiczna w latach 2020–2030 będzie rosła w tempie CAGR wynoszącym 21% do blisko 5 TW. Udział Pv w globalnej mocy zainstalowanej wzrośnie z 9,5% do 33,2%.
Duży popyt zainstalowany na terminalu w dalszym ciągu napędza wysoki popyt na ogniwa akumulatorowe, promuje przemysł fotowoltaiczny. Oczekuje się, że do 2025 r. wzrośnie popyt na wsporniki do łodzi z węglika krzemu i zamienniki skrzyń do łodzi, przemysł półprzewodników i fotowoltaika z ceramiką o strukturze węglika krzemu będzie stanowić 62%, z czego przemysł fotowoltaiczny z ceramiką o strukturze węglika krzemu wzrośnie z 6% do 26% w 2022 roku, stając się najszybciej rozwijającym się obszarem.
Krótkie podsumowanie
Widzimy, że materiał węglika krzemu, czy to jako materiał monokrystaliczny, czy jako materiał ceramiczny, zajął bardzo ważną pozycję w łańcuchu przemysłowym półprzewodników, baterii litowych, fotowoltaiki i innych najpopularniejszych obecnie gałęziach przemysłu, a jego trzy gałęzie przemysłu to ponad Obwód o skali rynkowej wynoszącej 100 miliardów, a branże te rozwijają się z dużą szybkością, można przewidzieć, że materiał z węglika krzemu jutro będzie dobry.
