Impulsionada pela rápida ascensão dos veículos elétricos, sistemas de energia renovável e tecnologias de comunicação de última geração, a indústria de substratos de carboneto de silício (SiC) entrou em um período de expansão acelerada. Como um material central em semicondutores de banda larga, o SiC permite o desempenho de dispositivos de alta temperatura, alta voltagem e alta frequência, além dos limites do silício tradicional. Com o aumento da capacidade de produção, o mercado está se movendo em direção a uma adoção mais ampla, custos mais baixos e aprimoramento contínuo da tecnologia.
1. Visão geral dos substratos de carboneto de silício
1.1 Propriedades do carboneto de silício
O carboneto de silício (SiC) é um composto sintético composto por silício e carbono. Ele apresenta um ponto de fusão muito alto (~2700°C), uma dureza só inferior à do diamante, alta condutividade térmica, uma banda proibida ampla, um alto campo elétrico de ruptura e rápida velocidade de derivação de saturação de elétrons. Essas características tornam o SiC um dos materiais mais importantes para eletrônica de potência e aplicações de RF.
1.2 Tipos de substratos SiC
Os substratos SiC são categorizados por resistividade elétrica:
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Substratos semi-isolantes (≥10⁵ Ω·cm), usados para dispositivos RF GaN-on-SiC em comunicação 5G, radar e eletrônica de alta frequência.
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Substratos condutores (15–30 mΩ·cm), usados para wafers epitaxiais SiC em dispositivos de potência para veículos elétricos, energia renovável, módulos industriais e trânsito ferroviário.
2. Cadeia da indústria de materiais SiC
A cadeia de valor do SiC consiste em síntese de matéria-prima, crescimento de cristal, usinagem de lingotes, corte de wafers, retificação, polimento, crescimento epitaxial, fabricação de dispositivos e aplicações downstream. Entre essas etapas, a fabricação de substratos tem as maiores barreiras técnicas e contribuição de custo, representando cerca de 46% do custo total do dispositivo.
Substratos semi-isolantes suportam aplicações de RF de alta frequência, enquanto substratos condutores atendem aos mercados de dispositivos de alta potência e alta voltagem.
3. Processo de fabricação de substratos SiC
A produção de substratos SiC requer dezenas de etapas de alta precisão para controlar defeitos, pureza e uniformidade.
3.1 Síntese de matéria-prima
Pós de silício e carbono de alta pureza são misturados e reagidos a temperaturas acima de 2000°C para formar pó de SiC com fases cristalinas e níveis de impureza controlados.
3.2 Crescimento de cristal
O crescimento de cristal é a etapa mais crítica que afeta a qualidade do substrato. Os principais métodos incluem:
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PVT (Physical Vapor Transport): O principal método industrial onde o pó de SiC sublima e recristaliza em um cristal semente.
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HTCVD (High-Temperature CVD): Permite maior pureza e menores níveis de defeito, mas requer equipamentos mais complexos.
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LPE (Liquid Phase Epitaxy): Capaz de produzir cristais com baixo defeito, mas com custo mais alto e mais complexo de escalar.
3.3 Processamento de lingotes
O cristal cultivado é orientado, moldado e retificado em lingotes padronizados.
3.4 Corte de wafers
Serras de fio de diamante cortam o lingote em wafers, que passam por inspeção de empenamento, curvatura e TTV.
3.5 Retificação e polimento
Processos mecânicos e químicos afinam a superfície, removem danos e alcançam planicidade em nível nanométrico.
3.6 Limpeza final
Procedimentos ultralimpos removem partículas, íons metálicos e contaminantes orgânicos, produzindo o substrato SiC final.
4. Perspectiva do mercado global
Pesquisas da indústria indicam que o mercado global de substratos SiC atingiu aproximadamente USD 754 milhões em 2022, representando um crescimento de 27,8% ano a ano. Espera-se que o mercado atinja USD 1,6 bilhão até 2025.
Substratos condutores representam cerca de 68% da demanda, impulsionados por veículos elétricos e energia renovável. Substratos semi-isolantes representam cerca de 32%, impulsionados por aplicações 5G e de alta frequência.
5. Panorama competitivo
A indústria tem altos limites técnicos, incluindo longos ciclos de P&D, controle de defeitos de cristal e requisitos de equipamentos avançados. Embora os fornecedores globais atualmente detenham posições fortes em substratos condutores, os fabricantes domésticos estão melhorando rapidamente a qualidade do crescimento de cristal, o controle da densidade de defeitos e as capacidades de grande diâmetro. A competitividade de custos dependerá cada vez mais da melhoria do rendimento e da escala de produção.
6. Tendências de desenvolvimento futuro
6.1 Diâmetros de substrato maiores
A transição para wafers de grande diâmetro é essencial para reduzir o custo por dispositivo e aumentar a produção.
6.2 Menor densidade de defeitos
Reduzir micropipos, deslocamentos do plano basal e falhas de empilhamento é fundamental para alcançar a fabricação de dispositivos de alto rendimento.
6.3 Redução de custos por meio da escala
À medida que mais fabricantes atingem a produção em escala industrial, as vantagens de custo e a estabilidade do fornecimento acelerarão a adoção global de dispositivos SiC.
6.4 Demanda impulsionada pela eletrificação e sistemas de alta potência
Forte impulso de crescimento vem de veículos elétricos, infraestrutura de carregamento rápido, fotovoltaicos, sistemas de armazenamento de energia, módulos de potência industrial e sistemas de comunicação avançados.
Conclusão
A indústria de substratos de carboneto de silício está entrando em uma janela estratégica de crescimento caracterizada pela expansão de aplicações, progresso tecnológico rápido e aumento da escala de produção. À medida que os tamanhos dos wafers aumentam e a qualidade do cristal melhora, o SiC desempenhará um papel cada vez mais importante na eletrificação global e nos sistemas de conversão de energia. Os fabricantes que liderarem no controle de defeitos, otimização de rendimento e tecnologia de grande diâmetro aproveitarão a próxima fase de oportunidade de mercado.
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