Siliziumkarbid (SiC)-Wafer mit großem Durchmesser verbessern die Effizienz und senken die Kosten bei taktischen Anwendungen

Bei elektronischer Hardware für taktische, mobile, fliegende und eingesetzte Systeme muss der Schwerpunkt auf der Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Verringerung von Größe und Kosten liegen. SiC-Wafer mit großem Durchmesser spielen eine wesentliche Rolle bei der Erreichung dieses Ziels.

Führende Hersteller von Bauelementen bauen die interne Waferproduktion aus. STMicroelectronics betreibt zwei 150-mm-SiC-Hubs in Catania und Ang Mo Kio (Singapur) sowie einen 200-mm-Hub mit Sanan Optoelectronics in China.

Hoher Wirkungsgrad

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) haben Hochleistungsanwendungen revolutioniert, indem sie Strom noch effizienter schalten und kleinere Bauformen ermöglichen. Sie tragen zur Verbesserung der Effizienz von Elektrofahrzeugen, Schnellladestationen, Eisenbahnen, erneuerbaren Energiesystemen, KI-Rechenzentren und KI-Rechenzentren und vielen anderen bei.

SiC-Bauelemente zeichnen sich durch niedrigere Systemkosten, höhere Betriebstemperaturen, geringere Größe und Gewicht sowie geringere Leistungsverluste als ihre Silizium-Gegenstücke aus. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie höhere Durchbruchspannungen, die mehr Energie bei geringeren Verlusten bewältigen, sowie höhere Frequenzen, bei denen sie arbeitet.

In dieser Fabrik wird auch die Cold-Split-Technologie zum Einsatz kommen, die dazu beiträgt, Defekte auf den Substraten zu minimieren und die Ausbeute durch sauberere Produktionsprozesse und Zuverlässigkeit zu erhöhen. In der ersten Phase, werden 900 hochwertigeIn der ersten Phase werden 900 hochwertige Arbeitsplätze geschaffen, während die Erweiterung eine 200-mm-Linie für SiC-Leistungshalbleiter und Galliumnitrid (GaN)-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie-Epitaxie umfasst: In der ersten Phase werden 900 hochwertige Arbeitsplätze mit besserer Ausbeute geschaffen, was zu einer höheren Zuverlässigkeit der Produktionsprozesse mit verbesserter Ausbeute führt. Darüber hinaus wird die Cold-Split-Technologie, die zur Verringerung von Substratdefekten eingesetzt wird, einen saubereren, zuverlässigeren Herstellungsprozess mit höherer Ausbeute gewährleisten. Die Erweiterung umfasst eine 200-Millimeter-Linie, die ausschließlich für die Produktion von SiC-Leistungshalbleitern sowie für die Galliumnitrid-Epitaxie bestimmt ist.

Die 6-Zoll-SiC-Prozesskapazitäten von X-FAB bieten den Kunden eine Plattform für hocheffiziente Leistungshalbleiter wie MOSFETs und JFETs, die bei deutlich höheren Spannungen effizienter arbeiten als ihre Silizium-Gegenstücke und gleichzeitig einen geringeren Transistor-Einschaltwiderstand, geringere Übertragungsverluste, einen erweiterten Hochtemperaturbetrieb mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit, geringere parasitäre Kapazitäten, eine kleinere Grundfläche, ein geringeres Gewicht und eine höhere Leistungsdichte für Automobil-, Bahn-, erneuerbare Energie- und Industrieanwendungen bieten.

Hohe Stabilität

SiC zeichnet sich durch seine breite Bandlücke aus, die es den Bauelementen ermöglicht, bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen zu arbeiten, als dies bei der herkömmlichen Siliziumtechnologie der Fall ist. Dies führt zu erheblichen Effizienzsteigerungen bei Anwendungen, bei denen die Bauelemente unter härteren Umweltbedingungen funktionieren müssen, als dies bei der Siliziumtechnologie der Fall wäre.

Die hohe Stabilität von SiC ist auf seine starken kovalenten Bindungen zurückzuführen, die eine extrem starre Kristallgitterstruktur bilden, wodurch ein sehr widerstandsfähiges Material entsteht, das hohen Temperaturen und Feuchtigkeitswerten standhält - ideal für raue Umgebungen wie die Automobil- und Luftfahrtindustrie.

SiC-Bauteile müssen über eine effiziente Wärmeableitung verfügen; andernfalls könnte ihre hohe Leistungsdichte zu einer Überhitzung und einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen. Aluminiumnitrid-Materialien sorgen dank ihrer Wärmeleitfähigkeit für eine wirksame Wärmeableitung und gewährleisten eine effektive Wärmeverteilung.

In dem Maße, wie der Markt für SiC-Bauelemente wächst, richten immer mehr Unternehmen ihr Augenmerk auf die Herstellung dieser Bauelemente - darunter auch bestehende IDM-Fabriken, die möglicherweise über die Kapazitäten verfügen, um von der Produktion anderer Halbleitertypen auf die Herstellung von SiC-Produkten umzustellen.

Der Erfolg in diesem Bereich hängt davon ab, ob es gelingt, ein erschwingliches Angebot an SiC-Substraten zu finden. Da SiC teurer ist als Silizium, kann sich die Beschaffung von Rohstoffen für einige Anbieter als schwierig erweisen. Eine Lösung könnte die Partnerschaft mit einem Anbieter sein, der über eine eigene SiC-Fertigung verfügt - dies ermöglicht eine enge Kopplung zwischen Design und Prozess, so dass Unternehmen die Produktion unter einem Dach optimieren können.

Verlässlichkeit

SiC-Bauelemente befinden sich hinsichtlich ihrer langfristigen Zuverlässigkeit noch in der Entwicklung. Obwohl viele Bauelementestrukturen gezeigt wurden, ist ihre Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen noch relativ unerprobt; bei einem MOSFET beispielsweise überlebte das Gate-Oxid nur 1000 s unter elektrischen Feldern von 6 MV/cm; mit Fortschritten in der Verarbeitungstechnologie und einem besseren Verständnis der intrinsischen Eigenschaften von SiC sind im Laufe der Zeit Verbesserungen zu erwarten.

Dank der hohen Wärmeleitfähigkeit von SiC kann die abgeleitete Wärme schnell aus den Geräten abgeführt werden, was zu einer größeren Stromversorgung bei einer bestimmten Temperatur führt, was die Effizienz erhöht und die Betriebskosten senkt.

SiC-Bauelemente sind seit langem für ihre hervorragende Qualität bekannt. Die Skalierung dieser Bauelemente ist jedoch aufgrund der hohen Investitionskosten, die mit dem Bau einer 200-mm-Waferfabrik verbunden sind, die in der Lage ist, diese Bauelemente mit geringeren Produktionsmengen herzustellen, nach wie vor eine Herausforderung.

Wolfspeed ist der einzige vertikal integrierte SiC-Hersteller, der von der Kultivierung der Boules bis zum Packaging der Die reicht. Als einziger vertikal integrierter Hersteller mit mehr als 30 Jahren Erfahrung mit diesem Material - einschließlich der Herstellung des weltweit ersten SiC-MOSFET im Jahr 1987 und heute mit einer vollständig auf Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgerichteten Anlage - ist Wolfspeed in der Lage, diese Probleme zu lösen. Das Engagement von Wolfspeed zeigt sich in mehr als 6 Billionen Betriebsstunden, umfangreichen Verschleißstudien, die über viele Jahre hinweg durchgeführt wurden, sowie in niedrigen FIT-Raten, die die Zuverlässigkeit für heutige und zukünftige Industrie- und Automobilanwendungen gewährleisten.

Niedrigere Kosten

Chips aus Siliziumkarbid (SiC) sind für Branchen, die auf Hochspannungssysteme angewiesen sind, von unschätzbarem Wert. Dazu gehören Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiequellen, Schnellladeinfrastrukturen sowie militärische und Luftfahrtanwendungen, die sich keine Ausfälle leisten können. SiC bietet deutlich weniger elektrische Leckströme als herkömmliche Silizium-Halbleiter für Leistungselektronik-Anwendungen, was zu erheblichen Effizienzsteigerungen im Betrieb führt.

SiC-Chips benötigen bei der Herstellung deutlich weniger Strom als ihre Silizium-Gegenstücke, was sie zu einer wirklich grünen Technologie macht. Darüber hinaus werden die anfänglichen Energieinvestitionen, die für die Herstellung und Verarbeitung des SiC-Materials erforderlich sind, durch die Steigerung der Systemeffizienz bei der Verwendung von SiC-Bauteilen über deren Lebensdauer mehr als ausgeglichen.

SiC-Bauteile sind in der Herstellung wesentlich kostengünstiger als Siliziumbauteile, was die Akzeptanz fördert und die Produktdifferenzierung erleichtert. Auch wenn es bei der Produktion noch einige Hindernisse gibt, haben die niedrigen Produktionskosten dazu beigetragen, die Akzeptanz bei den Herstellern zu erhöhen.

Wolfspeed hat vor kurzem eine interne Kapazitätserweiterung angekündigt, um die Nachfrage zu befriedigen, wie z. B. seine 300-mm-Linie. Andere IDMs arbeiten mit Foundries zusammen, um diesen Markt zu erschließen; ein Beispiel ist der neue SiC-Campus von STMicroelectronics in Catania.

Das Werk von Microchip in Colorado Springs tätigt Investitionen, um auf eine 200-mm-Linie umzusteigen; das Unternehmen wird diese Umstellung jedoch nur vornehmen, wenn sie wirtschaftlich sinnvoll ist; daher könnten 150-mm-Wafer noch einige Zeit Standard bleiben, was den Herstellern ermöglicht, die Kosten für ihre Kunden niedrig zu halten.