Los semiconductores de potencia inauguran la era del SiC (Segunda parte)

Los módulos de carburo de silicio (SiC) se consideran cruciales para mejorar la eficiencia de los sistemas de propulsión de vehículos eléctricos. El importante cambio de dispositivos basados en silicio a dispositivos de carburo de silicio contribuirá en gran medida a aumentar la densidad de potencia en los sistemas eléctricos y, al mismo tiempo, reducirá el tamaño, el peso y, lo más importante, el costo de los vehículos eléctricos. Esto se debe a que, aunque los semiconductores de potencia basados en silicio todavía se están optimizando, han alcanzado sus límites operativos en términos de conducción y pérdidas de conmutación. El carburo de silicio, con su banda prohibida más amplia (3.26 eV en comparación con los 1.12 eV del silicio), puede reducir dichas pérdidas y proporcionar un excelente rendimiento a alta temperatura y alta frecuencia.

Muchos fabricantes de chips de SiC ya han transformado sus líneas de producción de silicio de 150 mm en fabricación de SiC. Veliadis afirmó: "Hasta ahora, el enfoque más exitoso ha sido procesar carburo de silicio en fábricas de silicio maduras y totalmente depreciadas, con una inversión de capital de alrededor de 30 millones de dólares, lo que ha producido enormes beneficios". El costo es particularmente importante para los módulos de potencia. "Al utilizar carburo de silicio, pagará aproximadamente tres veces el coste de los chips semiconductores, pero el coste global del sistema acaba siendo inferior al de los módulos de potencia de silicio, lo que va en contra de la intuición. Pero la respuesta es sencilla. La capacidad de funcionar de forma eficiente a altas frecuencias reduce significativamente el volumen de componentes magnéticos y pasivos, compensando el mayor coste de fabricación del chip".

Sin embargo, ya no quedan fábricas antiguas que puedan permitirse una renovación de 30 millones de dólares en esta industria. Se están construyendo rápidamente nuevas fábricas de obleas de carburo de silicio. Mientras tanto, las empresas no dedicadas a las obleas compiten por la capacidad.

"Tenemos dos mercados que compiten entre sí: el mercado de la automoción y el mercado de las energías renovables, y ambos buscan capacidad", afirmó Ralf Bornefeld, vicepresidente senior de módulos y semiconductores de potencia de Bosch. "Hemos aprendido de la pandemia de COVID-19 que un mercado competidor puede cerrar otro mercado, por lo que debemos tenerlo en cuenta". Actualmente, Bosch produce módulos MOSFET de SiC de tercera generación con una tensión de ruptura de 1,200 V.

Los dispositivos de SiC son particularmente adecuados para automóviles, ya que pueden funcionar a temperaturas más altas en entornos hostiles, proporcionando una alta densidad de potencia. Los dispositivos de potencia de SiC logran pérdidas de conmutación extremadamente bajas y RDSon (resistencia entre la fuente y el drenaje durante el funcionamiento) ultrabaja. El RDSon más pequeño se correlaciona con menores pérdidas de energía en los MOSFET.

La capacidad del dispositivo comienza con los materiales de SiC. "La calidad del cristal ha sido el factor clave que todos los actores han estado abordando durante los últimos 20 años, pero todavía hay dislocaciones del plano basal, fallas de apilamiento, etc., en el cristal que deben diseñarse para fabricar 20, 30 y dispositivos de 40 milímetros cuadrados", afirmó Christophe Maleville, vicepresidente senior de Innovación de SOITEC. "Cuando entramos en el campo del carburo de silicio hace cuatro años, lo primero que notamos fue que había variabilidad de un lingote a otro y de una oblea a otra, que los ingenieros normalmente necesitan ajustar y validar la epitaxia. Por lo tanto, su implementación en la fabricación todavía no es delgado."

En términos de aspectos eléctricos, los dispositivos de potencia pueden ser sensibles a inductancias parásitas, chispas y otros desafíos. A diferencia de las fábricas de señales mixtas analógicas donde no hay reducción, los parámetros son el foco principal y los ingenieros de energía deben lidiar con las variaciones.

"Antes los productos analógicos carecían de contracción, pero ahora cuentan con procesos maduros para detectar defectos", afirma Dieter Rathei, director general de DR Yield. "A medida que los semiconductores compuestos como el carburo de silicio, el nitruro de galio y el arseniuro de galio se vuelvan más comunes y crezcan más rápido, los problemas de rendimiento paramétrico mejorarán".