Leistungshalbleiter läutet die Ära von SiC ein (Teil 1)

Einführung:

Aufgrund der steigenden Nachfrage auf dem Automotive-Terminalmarkt und der Preisparität mit Silizium wächst die Produktion von Siliziumkarbid (SiC) rasant.

Tausende Leistungshalbleitermodule werden bereits in Elektrofahrzeugen zum On-Board-Laden, als Traktionswechselrichter und zur DC/DC-Wandlung eingesetzt. Die meisten davon werden derzeit mit siliziumbasierten IGBTs hergestellt. Die Umstellung auf SiC-basierte MOSFETs hat jedoch die Leistungsdichte verdoppelt und die Schaltgeschwindigkeit in kleineren, leichteren Gehäusen erhöht.

Die Anforderungen an Hochspannung und Betrieb in heißen und rauen Umgebungen werden für Elektrofahrzeuge und Ladestationen immer anspruchsvoller. Aufgrund der höheren Herstellungs- und Verpackungskosten von Wide-Bandgap-Materialien wird es jedoch noch einige Zeit dauern, bis sich Siliziumkarbid (SiC) durchsetzen kann. Dennoch ändert sich die Situation. Victor Veliadis, Geschäftsführer und Chief Technology Officer von PowerAmerica, erklärte, dass die Preise von SiC-Leistungsmodulen mittlerweile mit denen von siliziumbasierten Modulen vergleichbar seien, was wiederum Lieferpartnerschaften und den Bau neuer SiC-Fabriken fördere.

Es gibt noch viel zu tun. Die SiC-Wafer-Technologie muss modernisiert werden. Die Herstellung dieser Geräte erfordert 20 % neue Prozesswerkzeuge und 80 % verbesserte Werkzeuge. Unser Ziel ist es, die Umsatzgeschwindigkeit von integrierten und diskreten Leistungsgeräten zu beschleunigen. Aus diesem Grund setzen Automobilhersteller auf eine direkte Zusammenarbeit zwischen Wafern und Modulen mit Gießereien.

Der Markt und die Technologie der SiC- und GaN-Stromversorgung

Bis 2030 wird die Welt 39 Millionen reine Elektrofahrzeuge produzieren, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 22 % von 2022 bis 2030 entspricht Siliziumkarbid-Geräte und 50 % der Galliumnitrid-Geräte werden voraussichtlich bis 35 auf dem Markt sein. In Elektrofahrzeugen wandeln Traktionswechselrichter Gleichstrom aus dem Batteriepaket in Wechselstrom um, um Strom für den Antrieb der Vorder- und Hintermotoren bereitzustellen. SiC kann auch das Laden von Bord- und Off-Board-Systemen beschleunigen und Elektrofahrzeuge mit Strom aus dem Netz versorgen.

Am wichtigsten ist, dass SiC-Module den Grundstein für den Übergang von 400-V-Batterien zu 800-V-Batterien bilden. Wenn die Ladegeschwindigkeiten höher sind, die Reichweite ausreichend ist und die Kosten für den Batteriesatz pro Fahrzeug unter 10,000 US-Dollar liegen, werden Verbraucher Elektrofahrzeuge schneller einführen.

SiC-Module erreichen einen kritischen Punkt, an dem sie kostenmäßig mit siliziumbasierten Stromversorgungslösungen konkurrenzfähig sind und gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad und kompaktere Systeme erreichen. In Verbindung mit der Erweiterung des 800-V-Batteriebereichs von den derzeit verwendeten 400-V-Batterien (die 600-V- oder 650-V-Geräte enthalten) wird die Massenproduktion von 1,200-V-SiC-Geräten gefördert. Allerdings sind Veränderungen in der Lieferkette, wie die Auswirkungen von Wafer-Kristalldefekten auf die Ausbeute, Verluste bei der Geräteverpackung und Modulintegration sowie engere Verbindungen zwischen Automobilherstellern und Herstellern von Stromversorgungssystemen, immer noch im Gange. Aus praktischer Sicht wird es einige Zeit dauern, bis neue SiC-Wafer und Wafer-Fabrikkapazitäten die Massenproduktion erreichen.

Der Begeisterung der Menschen für die Technologie hat dies jedoch keinen Abbruch getan. Analysten erhöhen weiterhin ihre SiC-Marktprognosen. Die Yole Group prognostiziert, dass der Markt für Leistungshalbleiter bis 6.3 ein Volumen von 2027 Milliarden US-Dollar erreichen wird, wovon 70 % auf Automobilanwendungen entfallen. Betrachtet man nur die SiC-Waferproduktion (ausgehend von SiC-Wafern), prognostiziert TECHCET eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 14 % von 2022 bis 2027.