Kiselkarbidchip - Framtidens kiselkarbidchip

Kiselkarbidchip (SiC) revolutionerar flera branscher. De möjliggör till exempel längre räckvidd per laddning i elfordon och används i högspänningssystem, telekom- och flygindustrin.

SiC har många fördelar jämfört med andra halvledare, bland annat det breda bandgapet och den höga effekttätheten. Tyvärr kan SiC-defekter minska effektiviteten genom att öka läckströmmarna, vilket leder till att enheterna slutar fungera.

Brett bandgap

Halvledare med brett bandgap har större energigap mellan valens- och ledningsbanden än motsvarande kiselmaterial, vilket gör att de kan arbeta vid högre temperaturer, spänningar och frekvenser - vilket innebär att elektroniska enheter som använder dessa material kan vara mindre, gå snabbare och ha ökad tillförlitlighet - särskilt nätaggregat där kostnaderna för driftstopp på grund av fel kan vara enorma.

Kiselkarbid (SiC) är ett avancerat sammansatt halvledarmaterial med ett bandgap som är tre gånger större än kisel, vilket gör det idealiskt för högspänningsapplikationer. Dessutom har SiC lägre kopplingsförluster än kisel och kan till och med användas vid högre temperaturer utan att prestandan försämras - alla dessa egenskaper har lett till en ökad efterfrågan på SiC-chip i applikationer som elfordon, flyg- och rymdsystem samt industriell elektronik.

Effekthalvledare med brett bandgap kan revolutionera kraftelektroniken. De baseras på GaN- och SiC-halvledare, som har bredare energiband än kiselhalvledare och därför ger bättre högspänningstillämpningar och prestanda; enheter med brett bandgap har också snabbare kopplingshastigheter för ökad effektivitet och minskade kostnader.

De här chipen har inte bara breda energibandgap utan också snabba omvända återställningstider och klarar höghastighetsdrift, vilket gör dem till ett utmärkt val för strömförsörjning och andra industriella applikationer. Dessutom arbetar dessa chip vid högre temperaturer än motsvarande chip i kisel, vilket minskar kylbehovet samtidigt som det sparar energi och kostnader för kylning.

Hög effekttäthet

SiC-transistorernas höga effekttäthet är en av deras viktigaste egenskaper, eftersom den minskar switchförlusterna, ökar systemeffektiviteten och sänker kostnaderna för komponenterna. SiC:s energibesparande egenskaper ökar dessutom strömflödeshastigheten samtidigt som temperaturstabiliteten förbättras, vilket gör att konstruktörerna kan skapa mer kompakta kretsar med högre energieffektivitet.

SiC-halvledare blir snabbt alltmer populära i elfordon på grund av deras överlägsna förmåga att hantera ström. SiC-halvledare är tre gånger mer värmeledande än kisel och gör det möjligt att använda högre spänningar för att uppnå samma strömstyrka till lägre vikt, volym och kablage; fördelar som gör denna teknik idealisk för batterihanteringssystem.

Kiselkarbid förbättrar inte bara batteriets prestanda utan kan också minska storleken på passiva komponenter som är viktiga för elfordon. Detta ökar räckvidden och minskar väntetiden på laddstationen avsevärt, vilket ytterligare ökar antalet resor med elfordon utan att behöva stanna för laddning.

I takt med att försäljningen av elfordon ökar snabbt är efterfrågan på SiC-kraftmoduler större än tillgången. Arrow Electronics har ett nära samarbete med sina SiC-leverantörer för att möta det ökande behovet genom att utveckla produkter som bare die-lösningar, gelkapslade moduler och transfergjutna moduler med EliteSiC MOSFET:er på hela 1200 V som har direkt vattenkylning via PinFin-basplattor för att avlägsna mer värme samtidigt som enheternas utgångsström ökar.

Låg värmeledningsförmåga

SiC-halvledare har potential att förändra flera slutsystem, särskilt batteridrivna elfordon (BEV). SiC-enheter erbjuder längre räckvidd och kortare laddningstider jämfört med motsvarande kiselkomponenter; dessutom möjliggör deras lägre vikt produktion av elbilar till lägre kostnader, vilket främjar införandet av denna teknik.

Att byta till SiC kräver en betydande omkonstruktion av kraftsystemen, vilket inkluderar val av nya grinddrivdon, strömsensorer, kondensatorer, magneter och kontakter samt omvärdering av alla andra komponenter - inklusive styrenheter - i dem. Arrow Electronics har samarbetat med leverantörer för att utveckla omfattande verktyg för SiC-utvärdering, t.ex. Wolfspeeds SpeedVal Kit(tm). Denna modulära utvärderingsplattform gör det möjligt för systemingenjörer att testa såväl enskilda enheter som deras samverkan på ett enkelt plug-and-play-sätt.

SiC har länge varit känt för sina fördelar som halvledarmaterial, men produktionsutmaningar har begränsat användningen fram till nyligen. Tack vare förbättrade tillverkningsprocesser som utvecklats av företag som Infineon, Microchip Technology, onsemi och Wolfspeed kan SiC-chip med överlägsna egenskaper som 3x bredare bandgap än kisel, lägre bärarkoncentrationer än kisel och utmärkt motståndskraft mot termisk chock nu tillverkas i stor skala - tack vare hög värmeledningsförmåga och låg expansionskoefficient kan de klara temperaturer som konkurrerar med dem som finns på andra ställen onsemi och Wolfspeed!

Hög tillförlitlighet

SiC-strömförsörjningsenheter har blivit alltmer populära i elbilssystem tack vare sin förmåga att öka effektiviteten, minska systemstorleken och förkorta laddningstiden. Tyvärr gör den höga switchfrekvensen och de efterföljande åldringseffekterna på gateoxidskiktet att vissa användare oroar sig för tillförlitligheten, men oavsett detta är SiC på väg att bli morgondagens halvledare.

SiC-enheter drar nytta av sitt breda bandgap, vilket gör att de klarar temperaturer som är tre gånger högre än kiselbaserade enheter, vilket ger tillförlitlighet vid högre temperaturer med minskade krav på termisk hantering - vilket ytterligare sänker de totala systemkostnaderna. Dessutom uppvisar SiC MOSFETs snabba omvända återhämtningsegenskaper som liknar deras kiselmotsvarigheter.

Kraftcyklingstester (PCT) är ett viktigt sätt att utvärdera SiC-enheters tillförlitlighet, med elektriska och termiska tester för att spåra enhetens livslängd över tid. Parametrar för övervakning av Vds och on-state-resistans fungerar som viktiga mätvärden i denna bedömning av åldringsprocessen och tillförlitlighetsbedömningen.

Förpackningstekniker håller på att utvecklas för att öka tillförlitligheten hos SiC-strömförsörjningsenheter. Bland dessa finns flip chip bonding, silversintring och kopparklämmor - som alla har visat sig förbättra tillförlitligheten vid strömcykling genom att minska värmeavledningen från ytan. De ökar också värmeledningsförmågan, vilket kan bidra till att motverka åldringsprocesser.