Varför är kiselkarbid ett bra substrat för kraftelektronik?

Kiselkarbid är ett utmärkt halvledarmaterial som lämpar sig för en rad olika tillämpningar. Med höga elektriska fält och lågt ON-motstånd är det här materialet utmärkt för kraftelektroniktillämpningar och växlar nästan 10 gånger snabbare än kisel.

Kiselkarbidskivor har också en låg termisk expansionskoefficient, vilket innebär att de kan motstå extrem värme och tryck utan att deformeras.

Högt bandgap

Kiselkarbidens breda bandgap gör den till ett utmärkt materialval för kraftenheter som arbetar vid högre temperaturer och spänningar, inklusive enheter som kräver högre ON-motstånd och värmeledningsförmåga än vad som erbjuds av kisel. Dessutom växlar kiselkarbid tio gånger snabbare än motsvarande kiselmaterial, vilket förbättrar effektiviteten och minskar växlingsförlusterna - vilket innebär mer prestanda på mindre wafers.

Bandgapet i ett material mäter skillnaden i energi mellan de enskilda atomlagren. Det avgör hur lätt elektroner passerar mellan skikten. Kisel har ett smalt bandgap som gör det svårare att överföra elektroner mellan skikten, liksom tätare gap som begränsar hur mycket energi en enhet kan överföra.

Halvledare med brett bandgap har snabbt ökat i popularitet för användning i kraftapplikationer tack vare sina överlägsna prestandaegenskaper. Halvledare med brett bandgap klarar högre spänningar och temperaturer än kisel och bidrar till att spara utrymme i kretsdesignen samtidigt som kretsarna blir mer effektiva - vilket i slutändan bidrar till att minska storlek och vikt och öka räckvidden för elfordon.

Kiselkarbid är ett extremt hårt och sprött material med stor potential. Kiselkarbid finns bara i spårmängder som moissanite-juveler naturligt, och den mesta kiselkarbid som används i elektronikapplikationer syntetiseras syntetiskt genom en komplex process som kräver SiC-råvaror med hög renhet.

Hög värmeledningsförmåga

Kiselkarbidsubstrat har hög värmeledningsförmåga som gör att värmen lätt kan flöda, vilket sänker enhetens temperatur och förbättrar prestandan. Denna egenskap är särskilt fördelaktig i enheter som kräver stora mängder ström och spänning, t.ex. högspänningstransistorer; den sänkta driftstemperaturen förlänger också deras livslängd och ökar deras livslängd.

Detta högpresterande material är extremt robust och motståndskraftigt mot olika temperaturer. Tack vare sin kemiska renhet och motståndskraft mot nedbrytning vid höga temperaturer används materialet ofta som stöd för wafertråg och som paddlar i halvledarugnar samt i elektriska komponenter som termistorer och varistorer. Dessutom gör dess förmåga att motstå högre spänningsnivåer det till ett överlägset alternativ än vanligt kisel för applikationer som kräver högspänningsanordningar.

SiC-substrat tillverkas genom att stora SiC-kristaller, s.k. boules, skärs till tunna cirkulära skivor med hjälp av en diamantvajersåg. Efter kapningen poleras skivorna tills ytan får en jämn textur, varefter SiC är mycket motståndskraftigt mot värmechocker och inte reagerar med syror, baser eller saltlösningar vid temperaturer över 800 grader Celsius.

SiC (kiselkarbid) är ett halvledarmaterial med brett bandgap som finns naturligt i det sällsynta mineralet moissanit och som har massproducerats sedan 1893 för industriella ändamål, t.ex. keramiska plattor till skottsäkra västar. På grund av sin låga värmeutvidgning och hårdhet används SiC också i optiska speglar som används i astronomiska teleskop.

Låg ON-resistans

Kiselkarbid är ett exceptionellt tåligt material som klarar höga elektriska fält och som kan växla 10 gånger snabbare än kisel, vilket möjliggör mindre styrkretsar med minskade energiförluster - egenskaper som gör kiselkarbid till ett utmärkt substrat för kraftelektronik.

Halvledarproduktion med kiselkarbid kräver att man börjar med högkvalitativt råmaterial. PVT (powdered vacuum tumbling), en innovativ teknik som används för att sublimera SiC-pulver under hög temperatur och högt tryck i vakuumkammare, ger stora enkristaller som sedan kan skäras till tunna wafers för användning som halvledarsubstrat.

Skivningen sker med hjälp av en diamantvajersåg och wafern poleras för att få en plan yta. Eftersom detta material kräver speciell bearbetningsutrustning som kan kräva flera försök innan den fungerar perfekt, är substrat som produceras på detta sätt mycket kostsamma och har långa ledtider.

Substrat av kiselkarbid är mer korrosionsbeständiga än motsvarande material av polysilikon, vilket gör dem lämpliga för applikationer i tuffa miljöer. Dessutom gör det låga ON-motståndet att de klarar högre spänningar än andra material, vilket ger effektivare växelriktare för elfordon med ökad räckvidd och lättare batterihanteringssystem.

Motståndskraft mot höga temperaturer

Kiselkarbid, även känd som karborundum, är en oorganisk kemisk förening bestående av kisel och kol som förekommer naturligt som ädelstenen moissanit och har massproducerats som pulver och kristall sedan 1893 för användning som slipmedel och i icke-elektroniska applikationer som bilbromsar och keramiska plattor i skottsäkra västar. Eftersom det tål höga temperaturer, höga spänningar och nötning är det ett idealiskt material för kraftaggregat.

En sådan industri där SiC-baserade MOSFET:er utmärker sig är elfordonsapplikationer, där deras högspänningskrav kan uppfyllas utan problem av dessa MOSFET:er - vilket leder till större energibesparing, mindre batterihanteringssystem och längre körsträckor.

Kiselkarbid har inte bara termiska och elektriska egenskaper, utan är också känt för sin kemiska resistens - vilket innebär att det kan uthärda tuffa driftsmiljöer utan problem med skevhet eller sprickbildning. Dessutom säkerställer kiselkarbidens låga termiska expansionskoefficient att snabba temperaturförändringar hanteras utan att det uppstår skevheter eller sprickor i strukturen.

Kiselkarbidsubstratens fysiska egenskaper är av avgörande betydelse eftersom de direkt påverkar epitaxialskiktens kvalitet och enhetens prestanda. Deras ytstatus spelar en viktig roll för chipens tillförlitlighet och prestanda; att välja leverantörer med högkvalitativa tillverkningsprocesser är avgörande för optimal chiptillförlitlighet och prestanda. CVD-kiselkarbid teoretiskt täta och i sig rena substrat finns i olika storlekar från 2 ″-3 ″, samt tjocklekstolerans på upp till 1 mikroinch från pålitliga företag.