I semiconduttori di potenza inaugurano l'era del SiC (Parte prima)

Introduzione:

Spinta dalla crescente domanda nel mercato dei terminali automobilistici e dalla parità di prezzo con il silicio, la produzione di carburo di silicio (SiC) sta crescendo rapidamente.

Migliaia di moduli a semiconduttore di potenza sono già stati utilizzati nei veicoli elettrici per la ricarica a bordo, gli inverter di trazione e la conversione CC-CC. La maggior parte di essi è attualmente prodotta utilizzando IGBT al silicio. Tuttavia, il passaggio ai MOSFET al SiC ha raddoppiato la densità di potenza e accelerato la velocità di commutazione in package più piccoli e leggeri.

I requisiti di alta tensione e di funzionamento in ambienti caldi e difficili stanno diventando sempre più stringenti per i veicoli elettrici e le stazioni di ricarica. Tuttavia, a causa dei maggiori costi di produzione e confezionamento dei materiali ad ampio bandgap, ci vorrà del tempo prima che il carburo di silicio (SiC) si affermi in modo solido. Ciononostante, questa situazione sta cambiando. Victor Veliadis, Direttore esecutivo e Direttore Tecnico di PowerAmerica, ha affermato che i prezzi dei moduli di potenza in SiC sono ora paragonabili a quelli dei moduli al silicio, il che a sua volta promuove partnership di fornitura e la costruzione di nuove fabbriche di SiC.

C'è ancora molto lavoro da fare. La tecnologia dei wafer SiC deve essere aggiornata. La produzione di questi dispositivi richiede il 20% di nuovi strumenti di processo e l’80% di strumenti migliorati. Il nostro obiettivo è accelerare il ritmo di turnover dei dispositivi di potenza integrati e discreti, motivo per cui i produttori automobilistici si stanno rivolgendo alla collaborazione diretta dal wafer al modulo con le fonderie.

Il mercato e la tecnologia dell'energia SiC e GaN

Entro il 2030, il mondo produrrà 39 milioni di veicoli elettrici puri, che equivale a un tasso di crescita annuo composto del 22% dal 2022 al 2030. Ciò a sua volta spinge il mercato dei semiconduttori di potenza, con circa il 50% dei dispositivi al silicio, il 35% dei dispositivi al carburo di silicio e il 12% dei dispositivi al nitruro di gallio dovrebbero essere utilizzati sul mercato fino al 2030. Nei veicoli elettrici, gli inverter di trazione convertono la corrente continua dal pacco batterie in corrente alternata per fornire energia per azionare i motori anteriore e posteriore. Il SiC può anche accelerare la ricarica dei sistemi di bordo e fuori bordo e portare energia dalla rete ai veicoli elettrici.

Ancora più importante, i moduli SiC costituiscono la pietra angolare della transizione dalle batterie da 400 V alle batterie da 800 V. Quando la velocità di ricarica sarà più elevata, l’autonomia sarà sufficiente e il costo della batteria per veicolo sarà inferiore a 10,000 dollari, i consumatori adotteranno i veicoli elettrici più rapidamente.

I moduli SiC stanno raggiungendo un punto critico in cui sono competitivi in termini di costi con le soluzioni di alimentazione basate sul silicio, ottenendo allo stesso tempo una maggiore efficienza e sistemi più compatti. Insieme all'espansione della gamma di batterie da 800 V rispetto alle batterie da 400 V attualmente utilizzate (contenenti dispositivi da 600 V o 650 V), viene stimolata la produzione di massa di dispositivi SiC da 1,200 V. Tuttavia, i cambiamenti nella catena di fornitura, come l’impatto dei difetti dei cristalli dei wafer sulla resa, le perdite nell’imballaggio dei dispositivi e nell’integrazione dei moduli e le connessioni più strette tra produttori di automobili e produttori di sistemi di alimentazione, sono ancora in corso. Da un punto di vista pratico, ci vorrà del tempo prima che la nuova capacità di wafer SiC e di produzione di wafer raggiunga la produzione di massa.

Tuttavia, ciò non ha smorzato l’entusiasmo delle persone per la tecnologia. Gli analisti continuano ad aumentare le loro previsioni sul mercato del SiC. Yole Group prevede che il mercato dei semiconduttori di potenza raggiungerà i 6.3 miliardi di dollari entro il 2027, di cui il 70% destinato alle applicazioni automobilistiche. Considerando solo la produzione di wafer SiC (a partire dai wafer SiC), TECHCET prevede un tasso di crescita annuo composto del 14% dal 2022 al 2027.