Puces en carbure de silicium pour véhicules électriques

Les puces en carbure de silicium pourraient transformer l'électronique de puissance, en permettant aux véhicules électriques d'avoir une plus grande autonomie et des systèmes de gestion de l'énergie plus efficaces. Elles peuvent fonctionner à des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que leurs homologues à semi-conducteurs en silicium.

Bosch a déjà acquis une usine existante à Roseville et prévoit de la convertir pour produire des puces SiC ; toutefois, de nombreux obstacles doivent être surmontés avant que la fabrication puisse commencer.

Applications haute tension

Les véhicules électriques deviennent de plus en plus populaires, ce qui crée un besoin croissant d'électronique de puissance capable de supporter des tensions élevées. Le silicium commence à montrer ses limites dans ce domaine ; les semi-conducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium deviennent essentiels à cet égard.

Le carbure de silicium se distingue du silicium par le fait que sa structure atomique produit une plus grande différence entre ses bandes de conduction et de valence, ce qui permet des températures, des tensions et des fréquences de fonctionnement plus élevées - ce qui ouvre de nouvelles applications pour le carbure de silicium.

Les transistors en silicium nécessitent un refroidissement fréquent pour éviter de fondre ou de se détruire lorsqu'ils commutent à des tensions élevées, ce qui augmente le coût global du dispositif. En revanche, les transistors en carbure de silicium peuvent commuter à des fréquences plus élevées sans compromettre les performances ou la fiabilité, ce qui signifie qu'il faut moins de composants dans l'onduleur d'un véhicule électrique, d'où une conception globale plus petite et plus légère.

Le carbure de silicium rend cela possible grâce à sa force de champ électrique supérieure, avec près de 10 fois celle du silicium conventionnel, une résistance ON plus faible par surface et des capacités de résistance à la tension accrues grâce à des couches de dérive plus minces.

Applications de haute puissance

Les puces en carbure de silicium ont pris de l'ampleur à mesure que les gouvernements du monde entier s'efforçaient de réduire les émissions et de rendre les véhicules plus économes en carburant, devenant ainsi une solution attrayante. Contrairement aux semi-conducteurs traditionnels en silicium dont la bande interdite est étroite, la large bande interdite du carbure de silicium lui permet de traiter l'électricité plus efficacement tout en réduisant les pertes d'énergie.

La bande interdite plus large du SiC facilite la circulation des courants électriques avec moins de résistance, ce qui permet de fabriquer des dispositifs deux fois moins épais. En outre, cela signifie qu'une plus grande partie de la différence de potentiel électrique est disponible pour la commutation, ce qui se traduit par un meilleur rendement avec moins de composants nécessaires - sans parler de la capacité de la conductivité thermique à réduire les pertes de puissance et à rendre le SiC encore plus efficace que jamais !

La large bande interdite et l'excellente conductivité du SiC lui permettent d'offrir des solutions efficaces de gestion de l'énergie, ce qui se traduit par une plus grande autonomie de conduite avec une seule charge.

Le carbure de silicium s'est déjà imposé dans les composants clés des véhicules électriques tels que les chargeurs de batterie, les onduleurs et les panneaux solaires photovoltaïques. Le carbure de silicium pourrait un jour remplacer le silicium dans les onduleurs de traction et les convertisseurs DC-to-DC solaires pour des temps de charge plus rapides et une meilleure gestion de l'énergie, permettant ainsi des véhicules plus petits et une gestion plus rapide de l'énergie.

Applications à faible consommation d'énergie

Alors que l'intérêt mondial pour la mobilité électrique s'accroît, les dispositifs électroniques de puissance doivent offrir une efficacité, une fiabilité et une compacité supérieures - des caractéristiques que le carbure de silicium permet d'obtenir. Le carbure de silicium possède une combinaison exceptionnelle de propriétés qui lui permet de répondre à ces exigences.

Le principal avantage du SiC par rapport au silicium réside dans sa bande interdite plus large, qui permet aux électrons de passer plus librement des bandes de valence aux bandes de conduction et de supporter ainsi des champs électriques nettement plus élevés. En outre, le SiC commute plus rapidement, ce qui permet de réduire la taille des circuits de commande et la perte d'énergie.

Le carbure de silicium existe sous différentes structures connues sous le nom de polytypes. Chacun diffère par la façon dont les atomes de silicium et de carbone sont empilés. Selon le polytype utilisé par un dispositif, ses caractéristiques électriques et thermiques peuvent changer en conséquence.

Les procédés de fabrication du SiC actuellement disponibles ne répondent pas aux exigences des applications à haute performance, qui nécessitent des plaquettes de grande taille. Alors que le SiC évolue vers des plaquettes de 200 mm, les associés de l'équipe de Roseville sont formés à l'utilisation de ces nouveaux outils, notamment au montage des plaquettes de SiC sur des cadres pour les faire passer dans la machine à découper, puis à l'inspection des défauts après coup. Enfin, la dissipation de la chaleur constitue un autre défi de taille. Les puces en carbure de silicium à haute performance génèrent une chaleur considérable qui doit être gérée efficacement pour éviter la dégradation du dispositif ou une défaillance prématurée.

Applications automobiles

Le monde d'aujourd'hui serait inimaginable sans les dispositifs à semi-conducteurs, que l'on trouve partout, des smartphones aux véhicules électriques. Leur prolifération fait grimper en flèche la demande de puces en carbure de silicium (SiC) en particulier.

Ces semi-conducteurs à large bande interdite peuvent supporter une plus grande puissance à des tensions plus élevées que leurs homologues en silicium et se caractérisent par des temps de commutation plus rapides et des pertes d'énergie réduites, tout en occupant deux fois moins d'espace - ce qui aide les fabricants à accroître l'efficacité et la fiabilité en réduisant les exigences en matière d'emballage pour ces semi-conducteurs.

Le carbure de silicium a fait ses preuves en tant que matériau adapté aux applications des véhicules électriques, notamment les systèmes de gestion de la batterie et les chargeurs embarqués. Ces applications permettent de conserver l'énergie de la batterie, d'augmenter l'autonomie par charge et d'accélérer les temps de recharge - des qualités que les constructeurs automobiles attendent de plus en plus des fournisseurs de véhicules électriques à mesure que de plus en plus de modèles de véhicules électriques arrivent chez les concessionnaires.

Bosch mise beaucoup sur le SiC, en investissant plus de 1,5 milliard d'euros pour transformer son usine californienne de Roseville en un site de fabrication de pointe pour cette technologie vitale. Cela nécessite d'importants travaux de modernisation des salles blanches ainsi que l'embauche de personnel spécialisé dans ce nouveau procédé.

Par conséquent, les outils d'assurance qualité utilisés pour inspecter les plaquettes de SiC sont soumis à une pression considérable. Le système de mesure hors ligne ProForma 300iSA de MTI Instruments, basé sur la capacité, permet des inspections rentables qui soutiennent les efforts d'assurance qualité précoces, contribuant ainsi à prévenir les défauts coûteux susceptibles d'entraver le rendement des installations de fabrication.