Substrato in carburo di silicio per applicazioni di potenza

I substrati in carburo di silicio (SiC) sono diventati in breve tempo un elemento essenziale nei dispositivi di potenza grazie alle loro proprietà superiori. Rispetto ai tradizionali wafer di silicio, i substrati in SiC vantano una conduttività termica superiore e sono in grado di sopportare campi elettrici di rottura più elevati rispetto alle loro controparti in silicio.

Il SiC può assumere varie strutture cristalline note come politipi; tre delle applicazioni più diffuse nel campo dei semiconduttori riguardano i materiali 3C-SiC e 4H-SiC.

Elevata conduttività termica

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore a banda larga altamente performante, che offre numerosi vantaggi per le applicazioni di potenza, quali una gestione più efficace di temperature e tensioni più elevate; inoltre, grazie alla maggiore conduttività termica, disperde il calore più rapidamente, riducendo così la necessità di sistemi di raffreddamento e consentendo la realizzazione di dispositivi più piccoli e compatti.

Molti produttori stanno adottando i substrati in SiC nei propri processi produttivi, anche se le loro grandi dimensioni possono rappresentare una sfida in termini di lavorabilità, con possibili ripercussioni sulle prestazioni di sfaldatura e lavorazione, oltre a causare la produzione di wafer di qualità inferiore che potrebbero influire negativamente sulle prestazioni dei dispositivi.

Recentemente, i ricercatori della Scuola di Specializzazione in Ingegneria dell’Università Metropolitana di Osaka hanno dimostrato per la prima volta che il 3C-SiC presenta un’elevata conduttività termica, pari a quella del diamante. Avvalendosi di tecniche di analisi a livello atomico, questi ricercatori hanno stabilito che la struttura cristallina di questo materiale, la seconda più semplice dopo quella del diamante, presenta una conduttività termica eccezionale tra i materiali di grande diametro.

Il team ha scoperto che la conduttività termica del SiC dipende dal percorso libero medio dei fononi, che misura le collisioni dei fononi che trasportano il calore. Questo percorso può essere influenzato da fattori quali la dimensione dei grani, gli elementi di lega, le impurità, i vuoti e i difetti cristallini – compresi i difetti di impilamento – ma, controllando i difetti di impilamento, è possibile gestirlo e migliorare la conduttività termica.

Elevata resistenza

La resistenza del carburo di silicio non diminuisce con l’aumentare della temperatura, in particolare nella sua versione sinterizzata in fase solida (SSiC), che mantiene sia la durezza Mohs pari a 9,5 sia la semiconduttività elettrica. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione, all’abrasione e all’erosione consente la produzione di componenti progettati per resistere ad ambienti difficili in applicazioni quali la stampa 3D, la balistica, la tecnologia energetica, la produzione di carta, i processi chimici, nonché la produzione di parti per pompe e motori.

Grazie alla sua bassa espansione termica, l’SSiC è un materiale eccellente per gli specchi dei telescopi astronomici: la sua leggerezza e rigidità consentono di realizzare specchi per telescopi di dimensioni fino a 3,5 m (11 piedi). Rispetto agli specchi metallici, è molto più leggero, più maneggevole e più riflettente.

Le proprietà isolanti del carburo di silicio ne consentono l’impiego nei dispositivi a semiconduttori di potenza, dove la sua efficienza superiore rispetto ai tradizionali materiali a base di silicio permette di rendere tali dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico. In particolare, offre caratteristiche di ampia larghezza di banda a correnti e tensioni elevate, riducendo al minimo le perdite di commutazione e le perdite di energia nei sistemi di trasmissione di potenza. I sistemi di ricarica dei veicoli elettrici e di generazione di energia rinnovabile traggono grandi vantaggi dai dispositivi di commutazione ad alta tensione che ottimizzano l’efficienza di conversione di potenza, contribuendo ad aumentare l’autonomia, a ridurre i tempi di ricarica e a garantire una conversione efficiente dell’energia. Inoltre, migliorano le prestazioni dei dispositivi ad alta tensione per l’elettronica di potenza, prolungandone la durata e aumentando la capacità di corrente – aspetto particolarmente importante se si considerano le condizioni ambientali estreme in cui operano.

Basso coefficiente di dilatazione termica

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro e resistente, caratterizzato da un basso coefficiente di dilatazione termica e da un'elevata resistenza alla corrosione, che lo rendono perfetto per condizioni impegnative quali la stampa 3D, la produzione di munizioni e la fabbricazione della carta. Inoltre, il carburo di silicio è atossico e presenta un elevato rapporto resistenza/peso.

L'americano Edward G. Acheson scoprì per caso il carburo di silicio mentre tentava di sintetizzare diamanti artificiali. Durante il riscaldamento ad alta temperatura di una miscela di argilla e coke in polvere in una ciotola di ferro con un elettrodo di carbonio, si formarono cristalli di colore verde brillante che presentavano una durezza simile a quella del diamante. Egli chiamò questo composto appena creato “Carborundum”, che in seguito divenne SiC.

La ceramica al carburo di silicio può essere modellata in diverse forme attraverso vari metodi di stampaggio per sinterizzazione, che variano a seconda delle proprietà del materiale di base. La sinterizzazione a pressatura a caldo e la sinterizzazione diretta sono due processi ampiamente utilizzati per la produzione di substrati in carburo di silicio con diversi livelli di resistività: i substrati semisolanti presentano bassi livelli di resistività, mentre i carburi di silicio di tipo n offrono livelli di resistenza ancora più bassi.

I componenti ottici realizzati in carburo di silicio stanno riscuotendo un successo sempre maggiore in diversi settori industriali; tuttavia, la loro resistenza, i livelli di sollecitazione e altri parametri di progettazione dipendono dal metodo di produzione utilizzato. Pertanto, è fondamentale comprendere appieno le loro specificità al momento di selezionare il substrato in carburo di silicio più adatto alla propria applicazione.

Bassa resistività

Il carburo di silicio è in grado di resistere a temperature estremamente elevate senza reagire con acidi o alcali, oltre ad essere resistente alle sollecitazioni meccaniche e alle fessurazioni: qualità che lo rendono un materiale ideale per le tenute meccaniche che devono funzionare in condizioni di temperature e sollecitazioni estreme.

La bassa resistività elettrica del carburo di silicio lo rende adatto a numerose applicazioni, tra cui i dispositivi per l'elettronica di potenza e i componenti per la lavorazione dei semiconduttori. Inoltre, presenta una conduttività termica inferiore rispetto allo zaffiro e può essere prodotto in diversi politipi che consentono di controllarne la resistività elettrica.

Il carburo di silicio è un materiale semiconduttore, pertanto il drogaggio consente di ottenere facilmente una struttura di tipo n o di tipo p. Per il drogaggio di tipo n si utilizzano solitamente azoto o fosforo, mentre per il drogaggio di tipo p si ricorre tipicamente a berillio, boro o alluminio. Le opzioni di drogaggio consentono di controllare la resistenza elettrica, rendendo il carburo di silicio poroso più vantaggioso in varie applicazioni.

Anche la struttura cristallina del carburo di silicio contribuisce alla sua bassa resistività elettrica, poiché consente la formazione di percorsi conduttivi tra gli atomi di carbonio e quelli di silicio. Inoltre, questa struttura rende il carburo di silicio isotropico; ciò significa che le sue proprietà elettriche e termiche rimangono costanti in tutte le sue dimensioni, consentendo un migliore controllo della resistività nei prodotti in carburo di silicio poroso.