Semicondutores de potência inauguram a era do SiC (Parte Dois)

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2023-09-05 886

IDM (Fabricante de Dispositivo Integrado)、Fundição、Fabless

Os principais participantes na fabricação de chips incluem Wolfspeed, STMicroelectronics, ON Semiconductor, ROHM, Infineon e Bosch. O maior contribuinte de custos para esses dispositivos, os wafers de carboneto de silício (SiC), está passando da fabricação de 150 mm para 200 mm, mas os processos de crescimento, fatiamento e preparação ainda dependem de operações manuais caras e demoradas.

Todas as partes, especialmente IDM e fábricas de wafer, estão se esforçando para reduzir a taxa de defeitos dos cristais de SiC, desenvolvendo plataformas de ferramentas dedicadas para SiC, como implantação iônica de alta temperatura, fornos de deposição epitaxial operando em temperaturas acima de 1,500°C e pastas CMP aprimoradas , almofadas de polimento e produtos químicos de limpeza para processar materiais quase tão duros quanto o diamante.

Como os circuitos de energia baseados em silício, SiC e GaN competem na faixa de baterias de 400 V, a transição tecnológica foi concluída. No entanto, os sistemas de energia SiC podem fornecer níveis de energia muito mais elevados em comparação com GaN (ver Figura 3).

“Eu chamo isso de campo de batalha de 650 V porque, na realidade, todas as três tecnologias são competitivas nesta faixa”, disse Veliadis da PowerAmerica, que participou do fórum “Conectando o Ecossistema Automotivo com a Fabricação de SiC” realizado na SEMICON West. Embora o GaN tenha uma mobilidade eletrônica maior que o SiC, sua maturidade é menor e não pode corresponder aos altos níveis de potência do SiC. No entanto, o GaN ainda tem um apelo significativo na fabricação de dispositivos de alta frequência. Além disso, alguns métodos GaN baseados em silício atualmente empregados por empresas como Intel e imec mostram-se muito promissores.

Os módulos de carboneto de silício (SiC) são considerados cruciais para melhorar a eficiência dos sistemas de transmissão de veículos elétricos. A mudança significativa de dispositivos baseados em silício para dispositivos de carboneto de silício contribuirá enormemente para aumentar a densidade de potência nos sistemas de energia, ao mesmo tempo que reduzirá o tamanho, o peso e, o mais importante, o custo dos veículos elétricos. Isso ocorre porque embora os semicondutores de potência baseados em silício ainda estejam sendo otimizados, eles atingiram seus limites operacionais em termos de perdas de condução e comutação. O carboneto de silício, com seu bandgap mais amplo (3.26eV em comparação com 1.12eV do silício), pode reduzir essas perdas e fornecer excelente desempenho em alta temperatura e alta frequência.

Muitos fabricantes de chips de SiC já transformaram suas linhas de produção de silício de 150 mm na fabricação de SiC. Veliadis declarou: "A abordagem altamente bem-sucedida até agora tem sido o processamento de carboneto de silício em fábricas de silício maduras e totalmente depreciadas, com um investimento de capital de cerca de US$ 30 milhões, gerando retornos tremendos". O custo é particularmente importante para módulos de potência. “Ao usar carboneto de silício, você pagará aproximadamente três vezes o custo dos chips semicondutores, mas o custo geral do sistema acaba sendo inferior ao dos módulos de potência de silício, o que vai contra a intuição. em altas frequências reduz significativamente o volume de componentes magnéticos e passivos, compensando o custo mais elevado de fabricação de chips."

No entanto, não restam fábricas antigas que possam pagar uma renovação de 30 milhões de dólares nesta indústria. Novas fábricas de wafers de carboneto de silício estão em rápida construção. Enquanto isso, as empresas não-wafer competem por capacidade.

“Temos dois mercados mutuamente concorrentes – o mercado automóvel e o mercado das energias renováveis, ambos à procura de capacidade”, afirmou Ralf Bornefeld, vice-presidente sénior da Bosch Power Semiconductors and Modules. “Aprendemos com a pandemia da COVID-19 que um mercado concorrente pode fechar outro mercado, por isso precisamos de levar isso em consideração.” A Bosch está atualmente produzindo módulos SiC MOSFET de terceira geração com tensão de ruptura de 1,200V.

Os dispositivos SiC são particularmente adequados para automóveis, pois podem operar em temperaturas mais altas em ambientes agressivos, proporcionando alta densidade de potência. Os dispositivos de energia SiC alcançam perdas de comutação extremamente baixas e RDSon ultrabaixo (resistência entre a fonte e o dreno durante a operação). O menor RDSon está correlacionado com menores perdas de potência nos MOSFETs.

A capacidade do dispositivo começa com materiais SiC. "A qualidade do cristal tem sido o fator-chave que todos os players têm abordado nos últimos 20 anos, mas ainda existem deslocamentos do plano basal, falhas de empilhamento, etc., no cristal que precisam ser projetados para fabricar 20, 30 e Dispositivos de 40 milímetros quadrados", disse Christophe Maleville, vice-presidente sênior de inovação da SOITEC. "Quando entramos no campo do carboneto de silício, há quatro anos, o que notamos pela primeira vez foi que havia variabilidade de um lingote para outro e de um wafer para outro, que os engenheiros normalmente precisam ajustar e validar a epitaxia. Portanto, sua implementação na fabricação ainda não é magro."

Em termos de aspectos elétricos, os dispositivos de energia podem ser sensíveis a indutâncias parasitas, faíscas e outros desafios. Ao contrário das fábricas analógicas de sinais mistos, onde falta redução, os parâmetros são o foco principal e os engenheiros de energia precisam lidar com variações.

“No passado, os analógicos não tinham encolhimento. Mas agora eles têm processos maduros para defeitos”, disse Dieter Rathei, CEO da DR Yield. "À medida que semicondutores compostos como carboneto de silício, nitreto de gálio e arsenieto de gálio se tornam mais populares e crescem mais rápido, os problemas de rendimento paramétrico irão melhorar."

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