Kiselkarbid och dess användningsområden inom kraftelektronik och biomedicinska tillämpningar

Kiselkarbid (SiC) är ett innovativt material som övervinner de begränsningar som traditionellt kisel innebär i kraftapplikationer, med högre blockeringsspänning och snabbare kopplingshastigheter för dioder och transistorer.

SiC-gate drivers är nödvändiga för säker drift av höghastighetshalvledarenheter som TPPFC och soft-switching LLC som arbetar vid 100 kHz, men alla konstruktioner är inte lika bra.

Strömförsörjningsenheter

Kraftaggregat finns i alla sektorer av ekonomin och täcker ett brett spektrum av effektnivåer och frekvenser. IGBT:er och MOSFET:er är vanligt förekommande kraftkomponenter som bidrar till att öka systemeffektiviteten, minska volym och vikt, öka räckvidden för elfordon och erbjuda stabil kraftöverföring över långa avstånd.

SiC-kraftkretsar ger betydande fördelar jämfört med motsvarande kiselkretsar i många kraftelektronikapplikationer, inklusive högeffektiva system med låga förluster. Deras unika egenskaper gör att de kan hantera högre spänningar, snabbare kopplingshastigheter och lägre on-resistans jämfört med Si - prestanda som gör att de kan uppfylla de höga kraven på effektivitet och förluster i dessa kraftsystem.

Tillverkare av effektkretsar måste ta itu med två huvudutmaningar för att SiC ska kunna användas på bred front i effekttillämpningar: värmehantering och tillförlitliga kopplingar. SiC-enheter arbetar vid mycket högre temperaturer än Si, vilket genererar betydande värme som måste avledas effektivt för att undvika nedbrytning eller förtida fel och säkerställa tillförlitlig drift av hela kretsen. Tyvärr klarar inte traditionella förpackningstekniker och material sådana krav, utan det krävs specialiserade förpackningstekniker som kan hantera SiC-wafers driftsmiljöer.

Slutsystem

SiC har den termiska stabilitet och motståndskraft mot höga temperaturer som krävs för användning i elektronik som krafthalvledare och RF-enheter, vilket innebär ytterligare påfrestningar på enhetens och sammankopplingens tillförlitlighet. Tack vare dessa egenskaper är SiC idealiskt för högpresterande applikationer som kräver kontinuerlig drift.

SiC:s låga inneboende bärarkoncentration och breda bandgap gör att det effektivt kan avleda värme samtidigt som det arbetar vid högre spänningar under längre tid, vilket förbättrar effekttätheten genom att mer ström kan flöda genom avsedda kanaler utan läckströmmar eller andra problem. Detta resulterar också i att mer ström kan flöda genom dem utan att läckströmmar begränsar strömflödet eller orsakar andra problem.

När en elbil ökar sin räckvidd, batteristorleken minskar för traktionsomvandlare eller ombordladdare (OBC), eller laddningstiderna förkortas, innebär dessa förbättringar ökad effektivitet och prestanda samt kostnadsminskningar: systemkonstruktörer kan använda mindre passiva komponenter med lägre kostnader för termisk hantering för att minska de totala systemkostnaderna.

SiC:s unika egenskaper gör det också möjligt för ingenjörer att utveckla mer revolutionerande enheter som tänjer på teknikens gränser, t.ex. radarsystem med större räckvidd och upplösning, förstärkare för satellitkommunikation, transceivrar och mer avancerade trådlösa infrastrukturer. SiC klarar extrema förhållanden med större energieffektivitet, hållbarhet och tillförlitlighet till en lägre kostnad jämfört med alternativa material; dess överlägsna elektriska och termiska egenskaper gör det också till ett bra materialval för keramiska paket.

Biomedicinska tillämpningar

Biomedicinska tillämpningar som omfattar långtidsimplantat som glukossensorer och neurala gränssnitt måste ofta vara hermetiskt tillslutna för att inte överbelastas av en nötande kroppsmiljö som är fylld av saltjoner och proteiner som angriper ytan och smutsar ned den ytterligare. Människan har dessutom ett imponerande immunförsvar som snabbt känner igen främmande inkräktare innan det går till fysiska och kemiska angrepp i kombination med oxidationsmedel i ett försök att avlägsna eller lösa upp dem ur systemet.

Kiselkarbidens unika materialegenskaper gör den till en utmärkt kandidat för användning i avancerade biomedicinska tillämpningar. Kombinationen av höga tribologiska och hydrofila egenskaper, liksom den naturligt släta ytan utan porer, har visat att minimal celladhesion eller cellproliferation sker på ytan. Dessutom förhindrar SiC:s kemiska robusthet att det mänskliga immunsystemet aktiveras vid kontakt med materialet.

Den isolerande polytypen 4H-SiC har visat sig vara särskilt lämplig för biomedicinsk utrustning eftersom den tål de tuffa miljöer som de flesta biomedicinska apparater arbetar i (Rade et al. 2013). Dessutom visade sig ytmodifiering med självmonterade monolager av organiska molekyler som ättiksyra (CH3-COOH), metanol (CH3-OH) eller metandetiol (CH3-SH) avsevärt förbättra känsligheten hos 10 GHz RF-patchantenn för förändringar i blodglukoskoncentrationen som manifesterar sig som förskjutningar i dess resonansfrekvens resonansfrekvensförskjutning.

Energieffektivitet

Kisel har länge varit det självklara halvledarmaterialet för elektroniska enheter, men dess prestanda börjar nu nå sin gräns i tillämpningar med högre prestanda. Halvledarmaterial med brett bandgap som SiC kan erbjuda betydande fördelar jämfört med traditionella kiselchip genom att fungera vid högre temperaturer, spänningar och frekvenser.

Kraftelektronik tillverkad med SiC är mindre och kan hantera större energibelastningar med lägre värmeavgivning, tack vare deras lägre on-state-resistans (onresistans). Detta minskar Joule-värmen, vilket leder till minskad Joule-förlust och högre effektivitet totalt sett.

SiC:s låga värmeutvidgning i kombination med dess hårdhet, styvhet och värmeledningsförmåga gör att kraftkomponenter kan konstrueras med lägre vikt och volym, vilket leder till högre effektivitet och längre räckvidd på en enda batteriladdning.

SiC-strömförsörjningsenheter består vanligtvis av Schottky-dioder eller p+n-dioder som förbinder metallanoder med n-lager med låg resistans i spänningsblockerande regioner via sina ohmska kontakter, vilket gör att strömmen flyter smidigt under framåtriktade förspänningsförhållanden och blockerar den helt när omvända förspänningsförhållanden råder.

ST:s teknik för tillverkning och bearbetning av siC-chip möjliggör enheter med en on-motstånd som är upp till 10 gånger lägre än för si-transistorer, vilket ger kraftkonstruktörer ett brett utbud av diskreta lösningar samt WolfPACK-moduler till olika prispunkter och storlekar för att optimera BOM-kostnader och behov av fysisk storlek/layout samtidigt som specifika systemkrav uppfylls.