مجموعة أشباه الموصلات واسعة النطاق وحلول الاختبار

من خلال ثلاثة مصانع عالية التقنية تقع في ماليزيا والصين، تعد شركة Carsem شركة مشهورة تقدم خدمات تجميع واختبار أشباه الموصلات ولها تاريخ يمتد إلى 50 عامًا. توفر الشركة حلول التعبئة والتغليف والاختبار عالية الجودة لمجموعة واسعة من العملاء في قطاعات السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية والاتصالات السلكية واللاسلكية والصناعة.

في مقابلة مع Power Electronics News، سيقوم السيد إنديرجيت سينغ، المدير العام لوحدة الأعمال الإستراتيجية ذات فجوة النطاق العريض في شركة Carsem الماليزية، بتسليط الضوء على المنتجات وقطاعات الأعمال التي تركز عليها الشركة، وخاصة أجهزة الطاقة القائمة على فجوة النطاق الواسعة.

سوق أشباه موصلات الطاقة ومواد WBG

يشتمل سوق أشباه موصلات الطاقة العالمية على مكونات منفصلة ووحدات ودوائر متكاملة تخدم قطاعات السيارات والصناعة والإلكترونيات الاستهلاكية. للاستفادة من الاتجاه نحو الكهرباء، تركز كارسيم بعناية على قطاعات السيارات الكهربائية ومنتجات الطاقة المتجددة المتنامية.

كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) هما المادتان الأكثر استخدامًا في أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة (WBG). يتمتع SiC وGan بفجوة نطاق أوسع (3.3eV و3.4eV، على التوالي) من السيليكون التقليدي، مما يسمح بأداء فائق في كثافة الطاقة العالية وتطبيقات التردد العالي. تشارك Carsem حاليًا في تطوير العمليات والمواد وحلول التغليف اللازمة لتلبية الاحتياجات المتغيرة لسوق أشباه موصلات الطاقة في WBG.

وفقًا لـ Inderjeet Singh، تمثل أجهزة الطاقة SiC وGaN أربعة تحديات رئيسية في علوم المواد وتكنولوجيا التعبئة والتغليف: الإدارة الحرارية، والأداء الكهربائي، والموثوقية، والتكلفة، وقابلية التوسع.

“أحد التحديات الرئيسية هو الإدارة الحرارية، خاصة بالنسبة لـ GaN، الذي يتمتع بموصلية حرارية أقل. وهذا يتطلب تبديدًا فعالًا للحرارة من خلال تكييف مواد الواجهة الحرارية (TIMs) وتحسين عملية الترسيب أثناء تجميع التغليف. بالإضافة إلى ذلك، فإن معاملات التمدد الحراري المختلفة (CTE) بين المواد ومواد التعبئة والتغليف (مثل الركيزة، ومركب القالب، والوصلات البينية، والمواد المرتبطة بالقالب) يمكن أن تسبب إجهادًا ميكانيكيًا، مما يؤثر على موثوقية الوحدات أثناء دورة درجة الحرارة.

التحدي الآخر هو الأداء الكهربائي، خاصة في التطبيقات ذات الجهد العالي. وهذا يستلزم اختيار المواد التي يمكنها تحمل المجالات الكهربائية القوية، مثل مركبات العفن ذات مؤشر التتبع المقارن العالي (CTI). علاوة على ذلك، تتطلب سرعات التبديل الأسرع تقنيات ربط بينية جديدة وفعالة من حيث التكلفة لتقليل الحث الطفيلي.

الموثوقية هي أيضا مصدر قلق. لمنع التدهور أثناء الموثوقية التي تترجم لدورة حياة المنتج، وتخميل السطح، ومعززات الالتصاق مطلوبة داخل العبوة. وأخيرًا، تشكل التكلفة وقابلية التوسع تحديات. نظرًا لأن شركات تصنيع السيارات غالبًا ما تأتي بتصميمات وحدات مخصصة، فإن تحقيق وفورات الحجم للمواد يصبح أمرًا صعبًا. علاوة على ذلك، فإن الافتقار إلى التغليف الموحد لهذه الوحدات يعيق اعتمادها وتكاملها.

يوضح الشكل 1 حلول اختبار SiC التي توفرها شركة Carsem: مستوى الرقاقة، وفحص الرقاقة، وحرق مستوى الرقاقة، والقالب الجيد المعروف، وفرز الرقاقة.

وحدات الطاقة SiC و GaN

تمثل وحدات الطاقة SiC أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة التي تعمل على تحسين أداء أنظمة إلكترونيات الطاقة. إنهم يستفيدون من السمات المتفوقة لكربيد السيليكون، بما في ذلك الموصلية الحرارية العالية، وزيادة كفاءة الطاقة، والقدرة على العمل بجهد ودرجات حرارة أعلى مقارنة بالحلول المعتمدة على السيليكون. تجعل هذه الخصائص وحدات الطاقة SiC مثالية للمركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة والمعدات الصناعية، حيث تساهم في تقليل فقد الطاقة إلى الحد الأدنى وتعزيز كثافة الطاقة وتحسين كفاءة النظام.

تمثل وحدات الطاقة GaN أجهزة أشباه الموصلات المتطورة التي توفر تطورات كبيرة في الأداء في مجال إلكترونيات الطاقة. تتيح خصائص نيتريد الغاليوم لهذه الوحدات العمل بترددات وفولتية ودرجات حرارة أعلى بكفاءة أكبر من الوحدات التقليدية القائمة على السيليكون. وهذا يُترجم إلى تقليل فقدان الطاقة إلى الحد الأدنى، وسرعات تحويل أسرع، وتطوير أنظمة طاقة أصغر حجمًا وأخف وزنًا. توفر وحدات الطاقة GaN فوائد خاصة في تطبيقات مثل أجهزة الشحن السريعة ومراكز البيانات والمركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة، حيث تساهم في تعزيز كثافة الطاقة والكفاءة والأداء العام للنظام.

وفقًا لسينغ، في حين أن تفضيلات العملاء (الشركات المصنعة للأجهزة المتكاملة أو الشركات المصنعة للأجهزة) تملي في نهاية المطاف اختيار منتجاتهم المحددة، فإن العوامل التالية توفر إطارًا لاتخاذ قرارات مستنيرة.

خصائص المواد ومتطلبات التطبيق

• الجهد ودرجة الحرارة: يتفوق SiC في البيئات ذات الجهد العالي (فوق 600 فولت) ودرجات الحرارة المرتفعة نظرًا لفجوة نطاقه الواسعة والتوصيل الحراري الفائق. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات مثل محولات EV ومحركات المحركات الصناعية وإمدادات الطاقة في البيئات الصعبة مثل مراكز البيانات والفضاء والتطبيقات العسكرية حيث تكون الموثوقية في ظل الظروف القاسية أمرًا بالغ الأهمية.
• سرعة التحويل: يتميز GaN بحركة إلكترون أعلى، مما يؤدي إلى سرعات تحويل أسرع. تعتبر هذه الخاصية مفيدة في التطبيقات التي تتطلب تشغيلًا عالي التردد، مثل أجهزة الشحن السريعة ومحولات الطاقة ومحولات DC-DC. ومع ذلك، فإن SiC يجد استخدامًا متزايدًا في التطبيقات التي تكون فيها سرعة التبديل المعتدلة مقبولة، حيث توفر خصائصه الأخرى فوائد كبيرة.

النضج والتكلفة

• نضج التصنيع: تتمتع تقنية SiC بقاعدة تصنيع واسعة النطاق وأكثر نضجًا مقارنةً بـ GaN. وهذا يترجم إلى توافر أكبر وتكاليف أقل محتملة.
• التكلفة وقابلية التوسع: يعتبر GaN بشكل عام أقل تكلفة من SiC، وتدفع جهود التطوير المستمرة التكنولوجيا نحو تطبيقات الجهد العالي. بالإضافة إلى ذلك، توفر GaN قابلية توسع محسنة، مما يجعلها جذابة للتطبيقات التي تمثل فيها فعالية التكلفة مصدر قلق كبير.

تمكين التكنولوجيا لصناعة السيارات

ويتجلى التزام Carsem بقطاع السيارات من خلال شهادة TUV16949. تشير هذه الشهادة إلى أن الشركة قد استوفت المتطلبات الصارمة لمعيار TUV16949، وهي مواصفات فنية مصممة لتطوير نظام إدارة الجودة المصمم خصيصًا لصناعة السيارات.

يتم استخدام إجراءات إضافية لمراقبة الجودة خصيصًا للمنتجات التي تتوافق مع معايير AEC-Q100 وAEC-Q101 الأكثر صرامة، والتي تتجاوز متطلبات الأجهزة التجارية التقليدية.

“بالنسبة للدوائر المرحلية المتوافقة مع AEC-Q100، تقوم شركة Carsem بتنفيذ التدوير الحراري بعد مرحلة ما بعد المعالجة بالقالب. بالإضافة إلى ذلك، تخضع جميع بوابات الفحص خلال عملية التجميع لفحص بصري آلي بنسبة 100% (AOI). وأخيرًا، تخضع الأجهزة لاختبار درجة الحرارة حتى تصل إلى الفشل على مستوى العبوة أو المنتج.

ثم أضاف: “بالنسبة لأشباه الموصلات المنفصلة المتوافقة مع AEC-Q101، فإن Carsem يتضمن احتراق على مستوى الرقاقة جنبًا إلى جنب مع التدوير الحراري المذكور أعلاه بعد المعالجة بعد القالب، و100٪ AOI عبر جميع بوابات فحص التجميع، واختبار درجة الحرارة حتى فشل الحزمة أو المنتج” .

لمحة عن المستقبل

تسعى شركة Carsem جاهدة لتلبية جميع المتطلبات الأساسية من حيث العملية والمواد والحزمة لسوق أشباه موصلات الطاقة، والذي يتضمن أشباه الموصلات واسعة النطاق مثل SiC وGaN. ومع ذلك، للحفاظ على هذا الوضع في السنوات القادمة، من الضروري النظر في تأثير التقنيات الناشئة والتقدم المادي على وحدات الطاقة SiC و GaN.

ووفقا لسينغ، يركز كارسيم على مجالين رئيسيين: الاضطرابات التكنولوجية، والنهج الاستراتيجي.

الاضطرابات التكنولوجية المحتملة

• الوحدات الهجينة (IGBT/SiC، SiC/GaN): يوفر دمج مواد WBG التكميلية مثل IGBTs مع SiC أو SiC مع GaN فوائد أداء محتملة. يعد تحليل الجدوى وتحديات التكامل لهذه الوحدات الهجينة أمرًا ضروريًا لشركة Carsem.
• مواد الواجهة الحرارية ومركبات قوالب الموصلية الحرارية العالية: تولد أجهزة SiC و GaN حرارة كبيرة، مما يتطلب تبديدًا حراريًا فعالاً. سيكون استكشاف مواد الواجهة الحرارية المتقدمة ومركبات قوالب الموصلية الحرارية العالية أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز أداء الحزمة، خاصة بالنسبة لوحدات طاقة GaN.
• التكامل المتجانس للعناصر السلبية: يوفر دمج المكونات السلبية (المكثفات والمحاثات) مباشرة داخل حزمة وحدة الطاقة مزايا محتملة في الحجم والأداء. إن خبرة Carsem الحالية في دمج العناصر السلبية (> 10 سنوات) تضع الشركة في موقع جيد للاستفادة من هذا الاتجاه.

النهج الاستراتيجي لكارسم

• رقائق SiC: يمكن أن يؤدي استخدام رقائق SiC ذات القطر الأكبر (200 مم) إلى تحسين فعالية التكلفة والإنتاجية. يعد التحقيق في التحديات والفرص المرتبطة بالانتقال إلى رقائق SiC مقاس 200 مم أمرًا بالغ الأهمية للقدرة التنافسية المستقبلية لشركة Carsem.
• تحسين إنتاجية التقطيع لرقائق SiC: يمثل تقطيع رقاقة SiC تحديات فريدة بسبب صلابة المادة. يعد تطوير التقنيات لتحسين الإنتاجية مع الحفاظ على جودة التقطيع أمرًا ضروريًا لضمان الإنتاج الفعال لأجهزة الطاقة SiC.

ومن خلال المعالجة الاستباقية لهذه الاضطرابات المحتملة والاستثمار الاستراتيجي في هذه المجالات، تعتزم شركة Carsem ترسيخ مكانتها القيادية في مشهد الابتكار في مجموعة البنك الدولي في مجال تجميع التجميع والاختبار.

ظهرت التدوينة واسعة النطاق لتجميع أشباه الموصلات وحلول الاختبار للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.