Semikonduktor daya mengantarkan era SiC (Bagian Kedua)

Modul silikon karbida (SiC) dianggap penting untuk meningkatkan efisiensi sistem powertrain kendaraan listrik. Peralihan signifikan dari perangkat berbasis silikon ke perangkat silikon karbida akan memberikan kontribusi besar terhadap peningkatan kepadatan daya dalam sistem tenaga listrik sekaligus mengurangi ukuran, berat, dan yang paling penting, biaya kendaraan listrik. Hal ini karena meskipun semikonduktor daya berbasis silikon masih dioptimalkan, semikonduktor daya tersebut telah mencapai batas operasionalnya dalam hal kerugian konduksi dan peralihan. Silikon karbida, dengan celah pita yang lebih lebar (3.26eV dibandingkan silikon 1.12eV), dapat mengurangi kerugian tersebut dan memberikan kinerja suhu tinggi dan frekuensi tinggi yang sangat baik.

Banyak produsen chip SiC telah mengubah lini produksi silikon 150 mm mereka menjadi manufaktur SiC. Veliadis menyatakan, "Pendekatan yang paling sukses sejauh ini adalah pemrosesan silikon karbida di pabrik silikon yang sudah matang dan sudah terdepresiasi sepenuhnya, dengan investasi modal sekitar $30 juta, yang menghasilkan keuntungan luar biasa." Biaya sangat penting untuk modul daya. “Dengan menggunakan silikon karbida, Anda akan membayar sekitar tiga kali lipat biaya chip semikonduktor, namun biaya sistem secara keseluruhan ternyata lebih rendah dibandingkan modul daya silikon, yang bertentangan dengan intuisi. Namun jawabannya sederhana. Kemampuan untuk beroperasi secara efisien pada frekuensi tinggi secara signifikan mengurangi volume komponen magnetik dan pasif, mengimbangi biaya produksi chip yang lebih tinggi.”

Namun, tidak ada lagi pabrik tua yang mampu melakukan renovasi senilai $30 juta di industri ini. Pabrik wafer silikon karbida baru sedang dibangun dengan cepat. Sementara itu, perusahaan non-wafer bersaing untuk mendapatkan kapasitas.

“Kami memiliki dua pasar yang saling bersaing—pasar otomotif dan pasar energi terbarukan, keduanya mencari kapasitas,” kata Ralf Bornefeld, Wakil Presiden Senior, Semikonduktor dan Modul Bosch Power. “Kami telah belajar dari pandemi COVID-19 bahwa pasar yang bersaing dapat menutup pasar lainnya, jadi kami perlu mempertimbangkan hal tersebut.” Bosch saat ini memproduksi modul SiC MOSFET generasi ketiga dengan tegangan tembus 1,200V.

Perangkat SiC sangat cocok untuk mobil karena dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi di lingkungan yang keras, sehingga menghasilkan kepadatan daya yang tinggi. Perangkat daya SiC mencapai kerugian sakelar yang sangat rendah dan RDSON yang sangat rendah (resistansi antara sumber dan saluran pembuangan saat beroperasi). RDSon yang lebih kecil berkorelasi dengan kehilangan daya yang lebih rendah di MOSFET.

Kemampuan perangkat dimulai dengan material SiC. “Kualitas kristal telah menjadi faktor kunci yang telah ditangani oleh semua pemain selama 20 tahun terakhir, namun masih terdapat dislokasi bidang dasar, kesalahan susun, dll., pada kristal yang perlu dirancang untuk menghasilkan 20, 30, dan Perangkat berukuran 40 milimeter persegi," kata Christophe Maleville, Wakil Presiden Senior Inovasi SOITEC. “Saat kami memasuki bidang silikon karbida empat tahun lalu, hal pertama yang kami perhatikan adalah adanya variabilitas dari satu ingot ke ingot lainnya dan dari satu wafer ke wafer lainnya, yang biasanya perlu disesuaikan dan divalidasi oleh para insinyur dengan epitaksi. Jadi, penerapannya di bidang manufaktur belum ramping."

Dalam hal aspek kelistrikan, perangkat listrik mungkin sensitif terhadap induktansi parasit, percikan api, dan tantangan lainnya. Tidak seperti pabrik sinyal campuran analog yang tidak mengalami penyusutan, parameter adalah fokus utama, dan teknisi listrik perlu menangani variasi.

"Dulu, (analog) kurang menyusut. Tapi sekarang mereka sudah memiliki proses yang matang untuk cacatnya," kata Dieter Rathei, CEO DR Yield. “Seiring dengan senyawa semikonduktor seperti silikon karbida, galium nitrida, dan galium arsenida menjadi lebih umum dan tumbuh lebih cepat, masalah hasil parametrik akan membaik.”