Siliciumcarbide (SiC)-modules worden als cruciaal beschouwd voor het verbeteren van de efficiëntie van aandrijfsystemen voor elektrische voertuigen. De aanzienlijke verschuiving van op silicium gebaseerde apparaten naar apparaten op siliciumcarbide zal in grote mate bijdragen aan het vergroten van de vermogensdichtheid in energiesystemen, terwijl de omvang, het gewicht en, belangrijker nog, de kosten van elektrische voertuigen zullen worden verlaagd. Dit komt omdat, hoewel op silicium gebaseerde vermogenshalfgeleiders nog steeds worden geoptimaliseerd, ze hun operationele limieten hebben bereikt in termen van geleiding en schakelverliezen. Siliciumcarbide, met zijn grotere bandafstand (3.26 eV vergeleken met de 1.12 eV van silicium), kan dergelijke verliezen verminderen en uitstekende prestaties bij hoge temperaturen en hoge frequenties leveren.

Veel fabrikanten van SiC-chips hebben hun 150 mm-siliciumproductielijnen al omgezet in SiC-productie. Veliadis verklaarde: "De zeer succesvolle aanpak tot nu toe is het verwerken van siliciumcarbide in volwassen, volledig afgeschreven siliciumfabrieken, met een kapitaalinvestering van ongeveer $ 30 miljoen, wat een enorm rendement opleverde." De kosten zijn vooral belangrijk voor vermogensmodules. "Door siliciumcarbide te gebruiken, betaal je ongeveer drie keer de kosten voor halfgeleiderchips, maar de totale systeemkosten vallen uiteindelijk lager uit dan die van silicium powermodules, wat tegen je intuïtie ingaat. Maar het antwoord is simpel. Het vermogen om efficiënt te werken bij hoge frequenties wordt het volume aan magnetische en passieve componenten aanzienlijk verminderd, waardoor de hogere kosten van de chipproductie worden gecompenseerd."

Er zijn echter geen oude fabrieken meer die zich een renovatie van $30 miljoen in deze sector kunnen veroorloven. Nieuwe siliciumcarbidewafelfabrieken zijn snel in aanbouw. Ondertussen concurreren niet-waferbedrijven om capaciteit.

"We hebben twee met elkaar concurrerende markten: de automobielmarkt en de markt voor hernieuwbare energie, die beide op zoek zijn naar capaciteit", aldus Ralf Bornefeld, Senior VP van Bosch Power Semiconductors and Modules. "We hebben van de COVID-19-pandemie geleerd dat een concurrerende markt een andere markt kan platleggen, dus daar moeten we rekening mee houden." Bosch produceert momenteel SiC MOSFET-modules van de derde generatie met een doorslagspanning van 1,200 V.

SiC-componenten zijn bijzonder geschikt voor auto's, omdat ze bij hogere temperaturen in zware omstandigheden kunnen werken en daardoor een hoge vermogensdichtheid bieden. SiC-vermogencomponenten bereiken extreem lage schakelverliezen en een extreem lage RDSon (weerstand tussen source en drain tijdens bedrijf). De kleinere RDSon correleert met lagere vermogensverliezen in MOSFET's.

De mogelijkheden van apparaten beginnen met SiC-materialen. "Kristalkwaliteit is de sleutelfactor geweest waar alle spelers de afgelopen twintig jaar mee bezig zijn geweest, maar er zijn nog steeds dislocaties in het basale vlak, stapelfouten, enz. in het kristal die moeten worden ontworpen om 20, 20 en Apparaten van 30 vierkante millimeter”, zegt Christophe Maleville, Senior VP van SOITEC Innovation. "Toen we vier jaar geleden het siliciumcarbideveld betraden, merkten we voor het eerst dat er variabiliteit was van de ene staaf tot de andere en van de ene wafel tot de andere, waarmee ingenieurs doorgaans de epitaxie moeten aanpassen en valideren. Dus de implementatie ervan in de productie is nog niet mager.”

Wat elektrische aspecten betreft, kunnen vermogensapparaten gevoelig zijn voor parasitaire inductanties, vonken en andere uitdagingen. In tegenstelling tot analoge mixed-signal fabrieken waar krimp ontbreekt, zijn parameters de primaire focus en moeten energie-ingenieurs met variaties omgaan.

"In het verleden had (analoog) geen derving. Maar ze hebben nu volwassen processen voor defecten", zegt Dieter Rathei, CEO van DR Yield. "Naarmate samengestelde halfgeleiders zoals siliciumcarbide, galliumnitride en galliumarsenide mainstream worden en sneller groeien, zullen de problemen met de parametrische opbrengst verbeteren."