Cree och STMicroelectronics samarbetar för att bygga 150 mm SiC effekttransistorer för elfordon (EV)

Cree, sedan länge känt för sina LED-belysningslösningar, har nyligen börjat investera stort i högeffektiva krafthalvledare tillverkade av kiselkarbid och galliumnitrid. Genom Wolfspeed Business tecknade de nyligen ett exklusivt långsiktigt leveransavtal med STMicroelectronics för att producera 150 mm SiC-wafers som är särskilt anpassade för användning i kraftaggregat för elfordon.

Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid (SiC) är en kemisk förening som består av kisel och kol. Även om SiC förekommer naturligt som moissanit, ett sällsynt mineral, produceras det oftare syntetiskt för elektroniska tillämpningar. SiC är känt för sina halvledaregenskaper med brett bandgap, vilket gör att det tål högre temperaturer och spänningar än traditionella kiselkomponenter.

Kiselkarbid har länge använts i många branscher, t.ex. slipmedel, keramik och skottsäkra västar. På senare tid har dock kiselkarbid fått ett uppsving inom kraftelektroniken som ersättning för traditionella kiselbaserade komponenter tack vare sin förmåga att klara högre temperaturer och spänningar än kisel. Kiselkarbid erbjuder tydliga fördelar jämfört med kisel när det gäller kopplingstider och blockeringsspänning - det ger snabbare kopplingstider och högre blockeringsspänning än tidigare.

Cree är en av branschledarna när det gäller halvledarteknik med kiselkarbid och har 36 års erfarenhet av att arbeta med detta material. Deras uppdrag är att utveckla och kommersialisera ny teknik som drar nytta av kiselkarbidens unika egenskaper för att revolutionera kraftindustrin över hela världen.

Crees ansträngningar att diversifiera sin verksamhet bort från belysning har resulterat i en ökning av Wolfspeed-verksamheten inom kraft- och RF-segmenten, där man redan har sett en solid tillväxt. Den expanderande fabriken i Marcy kommer att möjliggöra en snabbare utveckling av kiselkarbidkomponenter för dessa marknader.

Hur använder Cree kiselkarbid?

Kiselkarbid kan användas för att skapa transistorer som växlar ström mer effektivt än vanliga halvledare, vilket ger många användningsområden. Crees kiselkarbidbaserade effekttransistorer kan hantera högre spänningar och temperaturer samtidigt som de är mindre och kräver mindre kylning jämfört med sina vanliga motsvarigheter, vilket gör att elektronikenheter kan bli mindre, lättare och mer energieffektiva - särskilt när samhället övergår från fossila bränslen till elfordon (EV).

Batterisystem för elfordon (EV) kräver betydande effekt. För att kunna driva dem på rätt sätt har Tesla och andra bilföretag använt sig av växelriktare som drivs av kiselkarbidomvandlare som en säker lösning för att snabbt växla högspänningsströmmar vid högre hastigheter.

Crees halvledare av kiselkarbid kan göra växelriktare kraftfullare, säkrare och billigare att tillverka. Deras MOSFET-teknik (MOSFET = metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) för 1200 V kiselkarbid kommer att användas i växelriktare som är konstruerade för Yutongs elbussar för att snabbt förlänga räckvidden och laddningstiderna samtidigt som vikten minskar, utrymmet sparas och kostnaderna sänks.

Cree utökar affärsenheten Wolfspeeds kapacitet för kraft- och RF-produkter i kiselkarbid och galliumnitrid (GaN) genom en toppmodern anläggning för tillverkning av 200 mm kiselkarbidwafers och en megafabrik för material på campus i Durham, North Carolina. Detta kommer att göra det möjligt för Wolfspeed att erbjuda halvledarlösningar med brett bandgap som påskyndar teknikskiften inom olika branscher såsom fordonsindustrin, kommunikationsinfrastruktur och industri.

Varför använder Cree kiselkarbid?

Kiselkarbidtekniken kan hjälpa kraftelektronik att hantera högre temperaturer, spänningar och switchfrekvenser samtidigt som den är mycket mindre och kräver mindre kylning än traditionella transistorer, vilket leder till mindre, lättare och mer energieffektiva enheter. I takt med att halvledarindustrin övergår från kisel till kiselkarbid med brett bandgap (WBCS) leder Crees Wolfspeed-division denna förändring med SiC-material samt kraft- och radioenheter för elfordon, industriella växelriktare och nätanslutna solenergisystem.

Cree har gjort betydande investeringar i nya produkter för att dra nytta av denna möjlighet, bland annat genom att öppna sin första anläggning för tillverkning av 200 mm SiC-wafers norr om Utica och en megafabrik för material vid huvudkontoret i Durham, North Carolina. Cree tillkännagav i maj 2019 en massiv investering på $1 miljarder i sin Wolfspeed-division för att snabbt få ut SiC-teknik för kraftaggregat på marknaden - detta inkluderar öppnandet av en 200 mm waferfabrik samt megafabriker för material på båda platserna.

I de PVT-system (Physical Vapor Transport) som företaget använder förångas inert SiC-material i en grafitdegel med värmeisolering innan det kyls och bildar enkristaller - vilket är det mest kostnadseffektiva sättet att producera högkvalitativa kiselkarbidgöt för kommersiellt bruk, som sedan används för att tillverka högpresterande halvledarchips som används för att omvandla branscher som fordonsindustrin, trefasiga industriella motorstyrningar, batteriladdare och solenergi.

Vilka är fördelarna med att Cree använder kiselkarbid?

Halvledare av kiselkarbid skiljer sig från traditionella halvledare genom att de kan växla hög ström med minimal energiförlust, vilket skapar effektivare kraftomvandlare och elektriska enheter, plus att det kan skapa mindre och lättare komponenter - egenskaper som gör kiselkarbid till ett utmärkt val för applikationer som elfordon och snabbladdningsstationer.

Förra året avyttrade Cree sin affärsenhet för belysning för att koncentrera sina ansträngningar på att utveckla sina kraft- och radiofrekvensprodukter av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) för strömförsörjningsmarknader och radiofrekvenstillämpningar. Sedan dess har företaget gjort betydande investeringar för att bli en SiC-kraftleverantör och investerat över $1 miljard i Wolfspeeds dotterbolag för att tillverka SiC/GaN-chip med hjälp av produktionslinjer baserade på kiselkarbid.

Cree och STMicroelectronics tillkännagav i november 2019 en utvidgning av sitt långsiktiga leveransavtal, vilket ökar dess värde till mer än $500 miljoner och återspeglar den globala efterfrågan på SiC-strömförsörjningsenheter när människor snabbt byter från förbränningsbilar till elbilar.

I det här avsnittet av Power Up pratar vi med Guy Moxey, Senior Director of Power Products för Wolfspeed - ett Cree-företag. Han kommer till oss för att diskutera kiselkarbidens användning inom både e-bussflottor och elnät - vilket bidrar till ökad effektivitet för båda.