Siliziumkarbid-Chips - Der Siliziumkarbid-Chip der Zukunft

Siliziumkarbid (SiC)-Chips revolutionieren zahlreiche Branchen. So ermöglichen sie beispielsweise längere Reichweiten pro Ladung in Elektrofahrzeugen und werden in Hochspannungsanlagen, in der Telekommunikation und in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

SiC hat viele Vorteile gegenüber anderen Halbleitern, darunter seine große Bandlücke und hohe Leistungsdichte. Leider können SiC-Defekte die Effizienz verringern, indem sie die Leckströme erhöhen, was zum Ausfall des Bauteils führt.

Breite Bandlücke

Halbleiter mit breiter Bandlücke weisen eine größere Energielücke zwischen ihren Valenz- und Leitungsbändern auf als ihre Silizium-Gegenstücke, wodurch sie bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen arbeiten können. Das bedeutet, dass elektronische Geräte, die diese Materialien verwenden, kleiner sein können, schneller laufen und zuverlässiger sind - insbesondere Stromversorgungen, bei denen die Kosten für Ausfallzeiten aufgrund von Störungen enorm sein können.

Siliziumkarbid (SiC) ist ein fortschrittliches Verbindungshalbleitermaterial mit einer dreimal größeren Energiebandlücke als Silizium, was es ideal für Hochspannungsanwendungen macht. Darüber hinaus bietet SiC geringere Schaltverluste als sein Silizium-Gegenstück und kann sogar bei höheren Temperaturen ohne Leistungseinbußen betrieben werden - alles Eigenschaften, die zu einer steigenden Nachfrage nach SiC-Chips in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Luft- und Raumfahrtsystemen sowie in der Industrieelektronik geführt haben.

Leistungshalbleiter mit breiter Bandlücke könnten die Leistungselektronik revolutionieren. Sie basieren auf GaN- und SiC-Halbleitern, die breitere Energiebänder als Silizium-Halbleiter aufweisen und daher bessere Hochspannungsanwendungen und -leistungen bieten; Wide-Bandgap-Bauteile zeichnen sich außerdem durch schnellere Schaltgeschwindigkeiten aus, was die Effizienz erhöht und die Kosten senkt.

Diese Chips verfügen nicht nur über breite Energiebandlücken, sondern auch über schnelle Reversierzeiten und können mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden, was sie zu einer hervorragenden Wahl für Stromversorgungen und andere industrielle Anwendungen macht. Darüber hinaus arbeiten diese Bauelemente bei höheren Temperaturen als ihre Silizium-Gegenstücke, was den Kühlungsbedarf verringert und gleichzeitig Energie und Kosten bei der Kühlung spart.

Hohe Leistungsdichte

Die hohe Leistungsdichte von SiC-Transistoren ist eines ihrer wichtigsten Merkmale, da sie die Schaltverluste reduziert, die Systemeffizienz erhöht und die Kosten für die Bauteile senkt. Darüber hinaus erhöhen die energiesparenden Eigenschaften von SiC die Stromflussgeschwindigkeit und verbessern gleichzeitig die Temperaturstabilität, was den Entwicklern ermöglicht, kompaktere Schaltungen mit höherer Energieeffizienz zu entwerfen.

SiC-Halbleiter erfreuen sich in Elektrofahrzeugen (EVs) aufgrund ihrer überragenden Leistungsfähigkeiten immer größerer Beliebtheit. SiC-Halbleiter sind dreimal wärmeleitfähiger als Silizium und ermöglichen höhere Spannungen bei gleichem Strom bei geringerem Gewicht, Volumen und Verdrahtungskosten; Vorteile, die diese Technologie ideal für Batteriemanagementsysteme machen.

Siliziumkarbid verbessert nicht nur die Batterieleistung, sondern kann auch die Größe passiver Komponenten verringern, die für Elektrofahrzeuge (EVs) wichtig sind. Dadurch erhöht sich die Reichweite und die Wartezeit an der Ladestation wird erheblich verkürzt, was die Mobilität von E-Fahrzeugen ohne Ladestopps weiter erhöht.

Da der Absatz von Elektrofahrzeugen rapide steigt, übersteigt die Nachfrage nach SiC-Leistungsmodulen das Angebot. Arrow Electronics arbeitet eng mit seinen SiC-Lieferanten zusammen, um diesen steigenden Bedarf durch die Entwicklung von Produkten wie Bare-Die-Lösungen, gelgekapselten Gehäusemodulen und transfergeformten Modulen mit vollen 1200-V-EliteSiC-MOSFETs zu decken, die eine direkte Wasserkühlung über PinFin-Grundplatten aufweisen, um mehr Wärme abzuführen und gleichzeitig den Ausgangsstrom der Geräte zu erhöhen.

Geringe Wärmeleitfähigkeit

SiC-Halbleiter haben das Potenzial, mehrere Endsysteme zu verändern, insbesondere batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). SiC-Halbleiter bieten im Vergleich zu Silizium-Halbleitern eine größere Reichweite und kürzere Ladezeiten. Darüber hinaus ermöglicht ihr geringeres Gewicht die Produktion von Elektrofahrzeugen zu niedrigeren Kosten, was die Verbreitung dieser Technologie fördert.

Die Umstellung auf SiC erfordert eine erhebliche Umgestaltung der Stromversorgungssysteme, was die Auswahl neuer Gate-Treiber, Stromsensoren, Kondensatoren, Magnete und Steckverbinder sowie die Neubewertung aller anderen Komponenten - einschließlich der Steuerungen - in diesen Systemen einschließt. Arrow Electronics hat in Zusammenarbeit mit Lieferanten umfassende Tools für die SiC-Evaluierung entwickelt, wie z. B. das SpeedVal Kit(tm) von Wolfspeed. Diese modulare Evaluierungsplattform ermöglicht es Systemingenieuren, sowohl einzelne Bauteile als auch deren Zusammenspiel in einer einfachen Plug-and-Play-Weise zu testen.

Die Vorteile von SiC als Halbleitermaterial sind seit langem bekannt, doch die Schwierigkeiten bei der Herstellung haben die Verbreitung bis vor kurzem eingeschränkt. Dank verbesserter Herstellungsverfahren, die von Unternehmen wie Infineon, Microchip Technology, onsemi und Wolfspeed entwickelt wurden, können SiC-Chips mit überlegenen Eigenschaften wie einer dreifach breiteren Bandlücke als Silizium, einer geringeren intrinsischen Ladungsträgerkonzentration als Silizium und einer ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit jetzt in großem Maßstab hergestellt werden - dank der hohen Wärmeleitfähigkeit und des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, die es ihnen ermöglichen, Temperaturen standzuhalten, die denen von onsemi und Wolfspeed in nichts nachstehen!

Hohe Zuverlässigkeit

SiC-Leistungsbauelemente werden in Elektrofahrzeugen immer beliebter, da sie den Wirkungsgrad erhöhen, die Systemgröße verringern und die Ladezeit verkürzen können. Leider bereiten ihre hohe Schaltfrequenz und die daraus resultierenden Alterungseffekte auf ihrer Gate-Oxidschicht einigen Nutzern Sorgen hinsichtlich der Zuverlässigkeit; dennoch ist SiC auf dem besten Weg, der Halbleiter der Zukunft zu werden.

SiC-Bauelemente profitieren von ihrer breiten Bandlücke, die es ihnen ermöglicht, dreimal höhere Temperaturen als Silizium-basierte Bauelemente auszuhalten, und bieten so Zuverlässigkeit bei höheren Temperaturen mit geringeren Anforderungen an das Wärmemanagement - was die Gesamtsystemkosten weiter senkt. Darüber hinaus weisen SiC-MOSFETs ähnlich wie ihre Silizium-Gegenstücke schnelle Rückstromerholungseigenschaften auf.

Power-Cycling-Tests (PCTs) sind ein wesentliches Mittel zur Bewertung der Zuverlässigkeit von SiC-Bauelementen und umfassen elektrische und thermische Tests, um die Lebensdauer der Bauelemente im Laufe der Zeit zu verfolgen. Die Überwachungsparameter Vds und On-State-Widerstand dienen bei dieser Bewertung des Alterungsprozesses und der Zuverlässigkeit als wichtige Messgrößen.

Es werden Verpackungstechnologien entwickelt, um die Zuverlässigkeit von SiC-Leistungsbauelementen zu erhöhen. Dazu gehören Flip-Chip-Bonden, Silbersintern und Kupferclips, die jeweils nachweislich die Zuverlässigkeit der Leistungszyklen verbessern, indem sie die Wärmeabgabe an der Oberfläche verringern. Sie erhöhen auch die Wärmeleitfähigkeit, was zur Bekämpfung von Alterungsprozessen beitragen kann.