Strömförsörjningsenheter på SiC-substrat

SiC-substratets överlägsna värmeledningsförmåga och motståndskraft mot höga temperaturer och strömmar gör det till ett utmärkt materialval för effektkretsar, där kostnaderna utgör 40%-50% av den slutliga kostnaden för kretskortet, vilket innebär att besparingar kan göras. Dessa besparingar måste dock ske på bekostnad av enbart materialkostnaderna; ytterligare besparingar måste uppnås på annat håll.

Soitec gjorde ett imponerande drag på CS International 2023 genom att presentera sin banbrytande SmartSiC-process, som består av mono-SiC-donatorwafers som är permanent fästa på poly-SiC-handtagssubstrat.

Högpresterande kraftaggregat

SiC-baserade effekthalvledare är en nyckellösning för att förbättra energieffektiviteten i elfordon, vindkraftverk och mycket mer. Genom att minska enhetens förluster möjliggör SiC-krafthalvledare högre switchfrekvenser och spänningar samtidigt som värmeavledningen minskar. Med hög temperaturstabilitet och låga bärarkoncentrationer för maximal livslängd under tuffa miljöförhållanden; deras breda bandgap skyddar dem också från elektriska fält.

Historiskt sett har stora företag som Infineon Technologies, Wolfspeed och Onsemi dominerat marknaden för SiC-kraftkomponenter, men i och med ökningen av antalet elfordon har konsumenterna i allt högre grad efterfrågat komponenter med högre prestanda som är mindre och effektivare än konventionella kiselkomponenter.

Tillverkarna behöver bättre och mer hållbara SiC-enheter för att kunna möta efterfrågan, vilket kräver nya typer av p-SiC-substrat. Konstruerade substrat för kraftelektronik har blivit en expanderande marknad på grund av denna trend; konstruerade substrat kombinerar en poly-SiC handtagswafer med mono-SiC toppskikt samt ett tunt lager av isolerande material och finns i 150 mm och 200 mm waferstorlekar.

Dessa konstruerade substrat använder liknande teknik som SOI. Det består av ett basskikt av poly-SiC och ett toppskikt av mono-SiC; vanligtvis består detta av enkristallin 4H-SiC som är bunden till en handtagsskiva för högvolymsproduktion och som uppfyller specifikationerna för elektrisk resistivitet, värmeledningsförmåga och repeterbarhet.

Elektriska fordon

Kraftelektronik av kiselkarbid (SiC) har länge använts i elfordon (EV) för att öka effektiviteten, förbättra prestandan, förlänga räckvidden och förkorta laddningstiderna samtidigt som man sparar energi och minskar utsläppen av växthusgaser. Tack vare sina överlägsna materialegenskaper och sin status som halvledare med brett bandgap spelar SiC-omvandlare en avgörande roll när det gäller att spara energi och samtidigt minska utsläppen av växthusgaser.

Fram till nyligen har dock tillväxten på marknaden för elbilar begränsats av den begränsade tillgängligheten och de höga kostnaderna för SiC-komponenter. En stor bidragande orsak till dessa kostnader är kraven på substrat - dessa måste tillhandahålla lämpliga frölager för epitaxial tillväxt samt minska motståndet i enheterna; traditionella substrat som ofta deponeras på isolerande wafers har ofta för högt motstånd vilket begränsar prestandan hos kraftkomponenterna.

SmartSiC-substrat ger betydande kostnadsbesparingar genom bearbetning av en enda wafer och är mer tillförlitliga och hållbara än mono-SiC-substrat, som kan spricka under waferbearbetningen. Dessutom är denna substrattyp mer kompatibel med metalliseringsprocesser för höghastighetsenheter.

Fordonstillverkare och underleverantörer som letar efter SmartSiC med låg resistans bör samarbeta med en vertikalt integrerad leverantör som kan hantera varje steg i produktionen, från odling av råsubstrat till tillverkning av färdiga enheter, för att säkerställa högkvalitativa resultat som gör att man slipper peka finger åt olika leverantörer om problem uppstår.

Solcellsväxelriktare

Solcellsväxelriktare används för att ansluta förnybara energikällor till elnätet. De omvandlar solens likström till växelström för användning i elbolagens överföringsledningar, vilket eliminerar transformatorer som tar upp plats och energi och sparar både pengar och utrymme. Dessutom möjliggör batterilagringssystem en effektivare användning av förnybara energikällor samtidigt som ren energi sprids jämnare i samhället.

Kiselkomponenter som IGBT:er används för närvarande i PV-växelriktare, men deras prestanda når sin gräns vid högre switchfrekvenser och de lider av höga avstängningsförluster. För att lösa dessa problem vänder sig tillverkarna i allt högre grad till halvledare av kiselkarbid (SiC).

SiC FETs har breda bandgap som avsevärt minskar energiförlusterna vid switchning, vilket gör dem perfekta för solcellsväxelriktare som vanligtvis arbetar med högre frekvenser och spänningar. Dessutom gör det låga on-resistansen att de kan uppnå hög verkningsgrad även vid högre switchströmmar.

Därmed kan de bidra till att sänka kostnaderna för växelriktare för solceller. En typisk 1500V PV-strängväxelriktarlösning från Infineon med ANPC SiC MOSFETs (Active Neutral Point Clamped) arbetar vid 48 kHz och är fem till tio procent billigare på en kostnad per kW-basis än jämförbara konstruktioner med IGBTs.

Vindkraftverk

Vindkraftverk omvandlar vind till elektricitet med hjälp av en mekanisk rotor som roterar när den aktiveras av luftflödet. Denna rörelse överförs sedan till en elektrisk generatoraxel som skapar energi. Högst upp i varje torn finns en maskinhusdel som innehåller ytterligare viktiga komponenter, bland annat drivlinor, kraftelektronik och ett gränssnitt för anslutning till elnätet.

Substrat av kiselkarbid (SiC) ger krafthalvledarenheter som används i dessa system en klar fördel. Deras breda bandgap gör det möjligt att använda högre spänningar, vilket bidrar till att minska utrustningsförlusterna och öka effektiviteten, medan deras överlägsna värmeledningsförmåga minskar komponentstorlekarna och driftstemperaturerna för kompakta konstruktioner med högre energieffektivitet.

SiC driver på utvecklingen av installationer för grön energi, t.ex. omriktare för solceller och vindturbiner som stöder den globala övergången till förnybara energikällor. Dessa system är viktiga för den globala strävan att komma bort från beroendet av fossila bränslen.

SiC har länge varit begränsat i sin tillämpning som krafthalvledarmaterial på grund av tillgänglighets- och kostnadsproblem. Men nu, när flera leverantörer ökar kapaciteten under en alltmer utmanande övergång till nya waferstorlekar och tillverkare som Soitec erbjuder produkter utan mikrorör, ser framtiden ljus ut för krafthalvledare av SiC.