Grunderna i chipteknik med kiselkarbid (SiC)

Marknaden för elfordon driver på en ökad efterfrågan på SiC-komponenter. Tyvärr har befintliga PCBA-konstruktioner ofta svårt att tillgodose dessa behov.

SiC-chip har låg on-resistans mellan drain och source, vilket minskar energislöseriet och förbättrar systemeffektiviteten, vilket möjliggör en mindre formfaktor med samma uteffekt.

Wolfspeed, Onsemi och ROHM är några av de viktigaste aktörerna som driver intäktstillväxten genom att utöka den interna waferkapaciteten för att dra nytta av en växande marknad.

Mikrochipens framtid

Mikrochips representerar innovation när den är som bäst. Från hemelektronik och bilar till kylskåp och vitvaror - våra liv är starkt beroende av mikrochip eftersom de utgör en viktig del av den teknik som driver allt framåt. De anpassas och utvecklas ständigt i takt med de tekniska trenderna, och därför är det oerhört viktigt att vi förstår både deras grundläggande principer och de framtida trender som formar detta innovationsområde.

Ett nytt innovativt prototypchip kan bana väg för smartare, nätverksoberoende enheter. Den här tekniken skulle kunna göra det möjligt för militära system som drönare, markrobotar och soldatheadset att ta in data utan att vara beroende av en central processorenhet eller ett moln för att förstå den. Dessutom kan drönare använda den för att snabbare upptäcka hot samtidigt som soldaterna kan använda utrustningen på ett säkert sätt i stridszoner.

Kiselchip håller gradvis på att fasas ut till förmån för snyggare och effektivare alternativ som kiselkarbid (SiC) och system-on-chip (SoC), tack vare en explosionsartad ökning av efterfrågan på elfordon. SiC- och SoC-enheter har överlägsen värmeledningsförmåga, bredare bandgap och högre genomslagsspänning jämfört med kisel, vilket förlänger körsträckan per laddning samtidigt som batterikostnaderna och vikten på elfordon minskar.

SiC är också mycket lovande för tillämpningar inom förnybar energi - i synnerhet solcellsinverterare och vindkraftverk - tack vare sin överlägsna effektivitet och tillförlitlighet, vilket har fått tillverkarna att utöka sin produktionskapacitet för SiC-halvledare för att kunna möta den ständigt ökande efterfrågan på dessa enheter.

Elektriska fordon

I takt med att elfordon blir allt vanligare kommer efterfrågan på SiC-wafers att öka kraftigt när biltillverkarna införlivar tekniken i sina fordon. För att möta den ökande efterfrågan kommer det att krävas betydande investeringar i produktionsanläggningar för 200 mm wafer. Befintliga aktörer bör fokusera på att förbättra teknik och kostnadskonkurrens för att behålla ledarskapet, medan nya aktörer bör investera i iterativt lärande för att komma ikapp.

SiC:s exceptionella elektriska egenskaper möjliggör snabbare växlingshastigheter och energiomvandling i kraftsystem för elfordon, vilket ger längre räckvidd på en laddning och påskyndar konsumenternas införande av elfordon. SiC möjliggör också snabba laddtider som minskar laddningstiden för förbättrade användarupplevelser.

SiC:s höga genombrottsspänning och lägre on-resistans är idealiska för att förbättra styrsystemen för elbilsmotorer, vilket minskar de totala systemförlusterna och den totala ägandekostnaden. Dessutom klarar SiC högre temperaturer, vilket förenklar kraftsystemen och minskar vikt och volym - vilket i slutändan sänker kostnaderna under fordonets livslängd.

För att maximera de potentiella fördelarna med SiC måste systemkonstruktörer genomföra en fullständig omkonstruktion, inklusive grinddrivrutiner, strömsensorer, kondensatorer, magneter och kontakter. Wolfspeed och Arrow Electronics har samarbetat kring en utvärderingsplattform som är speciellt utformad för att påskynda denna process och hjälpa systemarkitekter att välja ut lämpliga SiC-enheter för sin specifika applikation.

Flyg- och rymdindustrin

Flyg- och rymdindustrin omfattar design och produktion av flygplan, rymdfarkoster, satelliter, missiler och vapen som används av kommersiella flygbolag, privata rymdföretag och militära organisationer. Den drivs av tekniska innovationer samt ökande efterfrågan på resor och geopolitiska spänningar som utgör hot.

Ingenjörer som arbetar inom flyg- och rymdindustrin använder komplexa CAD-program (Computer Aided Design) för att skapa nya konstruktioner för flygplan och rymdfarkoster. Dessutom utför de simuleringar av flygning, framdrivningssystem och miljöbelastning/utmattning för att identifiera områden som kan förbättras.

NASA Glenns forskning om kiselkarbid (SiC) syftar till att ta fram de första prototypsensorerna och integrerade kretsarna tillverkade av SiC-wafers som köps kommersiellt och som kan fungera tillförlitligt under mer extrema flygförhållanden än konventionell elektronik. Denna forskning utförs vid deras Microsystems Fabrication Laboratory som ligger inom Glenn Research Center.

SiC:s högre temperaturtolerans gör det lämpligt för lättviktslösningar för strömhantering som minskar bränsleförbrukningen och utsläppen inom flygindustrin, medan dess unika gate-design gör det mer motståndskraftigt mot övergående joniseringshändelser i NMOS-krafthalvledare, vilket minskar läckströmmen med ökad partikelfluktuering. Dessutom har SiC starkare atombindningar än kisel, vilket ger motståndskraft mot strålningsskador som orsakas av gammastrålar som träffar ett oxidskikt eller oxid/halvledargränssnittet i komponenterna - detta gör SiC till ett utmärkt materialval för strålningshärdade komponenter som JFETs jämfört med kisel.

Energieffektivitet

I takt med att efterfrågan på elfordon och energilagringssystem ökar, växer också marknadskrafterna som kräver effektivare och mer tillförlitliga mikrochip. Ledande chiptillverkare har svarat på detta växande behov genom att öka produktionen av kiselkarbidbaserade (SiC) kraftkomponenter.

SiC är det perfekta halvledarmaterialet för kraftelektronik på grund av dess låga switch- och ledningsförluster, vilket avsevärt minskar energiförlusterna under kraftomvandlingsprocesser och leder till högre effektivitet och lägre driftskostnader för elfordon samtidigt som utsläppen av växthusgaser minskar. Detta gör ägandet av elbilar mer kostnadseffektivt samtidigt som utsläppen av växthusgaser minskar.

SiC-transistorer är mindre känsliga än motsvarande kiseltransistorer för "body diode bipolar degradation"-effekter, som uppstår när termiskt frigjorda elektroner översvämmar en enhet, samlas vid dislokationer i basplanet och fyller dess aktiva yta, vilket hindrar strömflödet och försämrar prestandan.

Wolfspeeds SiC-enheter använder en innovativ ny teknik som eliminerar denna effekt genom att kontrollera ackumuleringen av laddningsbärare vid kropps-diodregionen, vilket eliminerar denna effekt helt. Den har testats mot höga temperaturer, strålningsexponering och andra tuffa industriella miljöer med stor framgång. Med Wolfspeeds omfattande uppsättning av referensdesigner, modulära utvärderingskit och designsimulatorverktyg till sitt förfogande, kan konstruktörer snabbt välja en lämplig enhet för sitt system och samtidigt dra nytta av kostnadsbesparingar genom optimering av fysisk storlek/layout och samtidigt utforska olika topologier/konstruktionsoptimeringar/optimeringar/topologier/optimeringar och samtidigt utforska olika topologier/optimeringar/experimentella topologier/konstruktionsoptimeringar/experimentella topologier/konstruktionsoptimeringar/optimeringar/optimeringar/konstruktionsoptimeringar/optimeringar/konstruktionsoptimeringar/experimentella verktyg för experiment/experimentell plattform/plattform/kit/konstruktionssimulator.