Spinta dalla rapida crescita dei veicoli elettrici, dei sistemi di energia rinnovabile e delle tecnologie di comunicazione di nuova generazione, l'industria dei substrati in carburo di silicio (SiC) è entrata in un periodo di espansione accelerata. Come materiale fondamentale nei semiconduttori a banda larga, il SiC consente prestazioni dei dispositivi ad alta temperatura, alta tensione e alta frequenza, superando i limiti del silicio tradizionale. Con l'aumento della capacità produttiva, il mercato si sta muovendo verso un'adozione più ampia, costi inferiori e un continuo miglioramento tecnologico.
1. Panoramica dei substrati in carburo di silicio
1.1 Proprietà del carburo di silicio
Il carburo di silicio (SiC) è un composto sintetico composto da silicio e carbonio. Presenta un punto di fusione molto elevato (~2700°C), una durezza seconda solo al diamante, un'elevata conducibilità termica, un'ampia banda proibita, un elevato campo elettrico di rottura e una rapida velocità di deriva di saturazione degli elettroni. Queste caratteristiche rendono il SiC uno dei materiali più importanti per l'elettronica di potenza e le applicazioni RF.
1.2 Tipi di substrati SiC
I substrati SiC sono classificati in base alla resistività elettrica:
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Substrati semi-isolanti (≥10⁵ Ω·cm), utilizzati per dispositivi RF GaN-on-SiC nelle comunicazioni 5G, radar ed elettronica ad alta frequenza.
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Substrati conduttivi (15–30 mΩ·cm), utilizzati per wafer epitassiali SiC in dispositivi di potenza per veicoli elettrici, energia rinnovabile, moduli industriali e trasporto ferroviario.
2. Catena industriale dei materiali SiC
La catena del valore del SiC è composta da sintesi di materie prime, crescita cristallina, lavorazione di lingotti, taglio di wafer, rettifica, lucidatura, crescita epitassiale, fabbricazione di dispositivi e applicazioni a valle. Tra queste fasi, la produzione di substrati presenta le maggiori barriere tecniche e il maggiore contributo in termini di costi, rappresentando circa il 46% del costo totale del dispositivo.
I substrati semi-isolanti supportano applicazioni RF ad alta frequenza, mentre i substrati conduttivi servono i mercati dei dispositivi ad alta potenza e alta tensione.
3. Processo di produzione dei substrati SiC
La produzione di substrati SiC richiede dozzine di passaggi di alta precisione per controllare i difetti, la purezza e l'uniformità.
3.1 Sintesi delle materie prime
Polveri di silicio e carbonio ad alta purezza vengono miscelate e fatte reagire a temperature superiori a 2000°C per formare polvere di SiC con fasi cristalline e livelli di impurità controllati.
3.2 Crescita cristallina
La crescita cristallina è la fase più critica che influisce sulla qualità del substrato. I metodi principali includono:
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PVT (Physical Vapor Transport): Il metodo industriale principale in cui la polvere di SiC sublima e ricristallizza su un cristallo seme.
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HTCVD (High-Temperature CVD): Consente una maggiore purezza e livelli di difetti inferiori, ma richiede apparecchiature più complesse.
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LPE (Liquid Phase Epitaxy): In grado di produrre cristalli a basso difetto, ma con costi più elevati e più complessi da scalare.
3.3 Lavorazione del lingotto
Il cristallo coltivato viene orientato, sagomato e rettificato in lingotti standardizzati.
3.4 Wafering
Seghe a filo diamantato tagliano il lingotto in wafer, che vengono sottoposti a ispezione di deformazione, curvatura e TTV.
3.5 Rettifica e lucidatura
Processi meccanici e chimici assottigliano la superficie, rimuovono i danni e raggiungono la planarità a livello di nanometri.
3.6 Pulizia finale
Procedure ultra-pulite rimuovono particelle, ioni metallici e contaminanti organici, producendo il substrato SiC finale.
4. Prospettive del mercato globale
La ricerca di settore indica che il mercato globale dei substrati SiC ha raggiunto circa 754 milioni di dollari nel 2022, con una crescita del 27,8% su base annua. Si prevede che il mercato raggiungerà 1,6 miliardi di dollari entro il 2025.
I substrati conduttivi rappresentano circa il 68% della domanda, trainati dai veicoli elettrici e dalle energie rinnovabili. I substrati semi-isolanti rappresentano circa il 32%, trainati dalle applicazioni 5G e ad alta frequenza.
5. Panorama competitivo
Il settore presenta elevate soglie tecniche, tra cui lunghi cicli di ricerca e sviluppo, controllo dei difetti dei cristalli e requisiti di apparecchiature avanzate. Mentre i fornitori globali detengono attualmente posizioni forti nei substrati conduttivi, i produttori nazionali stanno rapidamente migliorando la qualità della crescita dei cristalli, il controllo della densità dei difetti e le capacità di grande diametro. La competitività dei costi dipenderà sempre più dal miglioramento della resa e dalla scala di produzione.
6. Tendenze di sviluppo future
6.1 Diametri dei substrati più grandi
La transizione a wafer di grande diametro è essenziale per ridurre i costi per dispositivo e aumentare la produzione.
6.2 Minore densità di difetti
La riduzione di micropipe, dislocazioni del piano basale e difetti di impilamento è fondamentale per ottenere una produzione di dispositivi ad alta resa.
6.3 Riduzione dei costi attraverso la scala
Man mano che un numero maggiore di produttori raggiunge la produzione su scala industriale, i vantaggi in termini di costi e la stabilità dell'offerta accelereranno l'adozione globale dei dispositivi SiC.
6.4 Domanda trainata dall'elettrificazione e dai sistemi ad alta potenza
Un forte slancio di crescita deriva dai veicoli elettrici, dalle infrastrutture di ricarica rapida, dal fotovoltaico, dai sistemi di accumulo di energia, dai moduli di alimentazione industriali e dai sistemi di comunicazione avanzati.
Conclusione
L'industria dei substrati in carburo di silicio sta entrando in una finestra strategica di crescita caratterizzata da applicazioni in espansione, rapidi progressi tecnologici e aumento della scala di produzione. Con l'aumento delle dimensioni dei wafer e il miglioramento della qualità dei cristalli, il SiC svolgerà un ruolo sempre più importante nell'elettrificazione globale e nei sistemi di conversione di potenza. I produttori che sono leader nel controllo dei difetti, nell'ottimizzazione della resa e nella tecnologia a grande diametro coglieranno la prossima fase di opportunità di mercato.
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