Wolfspeed Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente

Wolfspeed entwickelt Halbleitermaterialien mit breiter Bandlücke und Leistungsbauelemente für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, Schnellladestationen, 5G-Netzwerken, Anwendungen im Bereich erneuerbare Energien, Luft- und Raumfahrt und Verteidigungsprogramme sowie Projekte im Bereich erneuerbare Energien. Wolfspeed ist derzeit weltweit führend in der Produktion von SiC (Siliziumkarbid) Leistungsbauelementen.

Das Bauprojekt des John Palmour Manufacturing Center für Siliziumkarbid wird es dem Unternehmen ermöglichen, die Materialkapazität um das Doppelte zu erhöhen, um der steigenden Nachfrage nach Siliziumkarbidprodukten gerecht zu werden.

Was ist Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid (SiC) ist ein kristallines Material, das zu gleichen Teilen aus Silizium und Kohlenstoff besteht. Dieses harte und langlebige Material ist sehr temperaturbeständig und wird in industriellen Anwendungen wie Sandstrahlen, Schleifscheiben, Ofenteilen, Keramik und technischen Produkten eingesetzt.

SiC ist dank seiner atomaren Struktur ein effektives Halbleitermaterial. Dadurch können sich die Elektronen leicht zwischen seinen Valenz- und Leitungsbändern bewegen, so dass elektronische Geräte Elektrizität mit viel größerer Effizienz leiten können als mit Materialien wie Isolatoren oder Metallen.

SiC hat eine erstaunliche Spannungsfestigkeit, die 10-mal höher ist als die von Silizium und sogar die von Galliumnitrid übertrifft, das heute in der Leistungselektronik weit verbreitet ist. Dies macht SiC zu einem ausgezeichneten Material für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, Schnellladestationen und Wechselrichtern für erneuerbare Energien, neben anderen Anwendungen.

Aufgrund seiner Härte, Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit kann Siliziumkarbid in anspruchsvollen technischen Anwendungen wie Pumpenlagern, Ventilen, Sandstrahldüsen und Extrusionswerkzeugen eingesetzt werden. Darüber hinaus machen sein hoher Schmelzpunkt und seine geringe Wärmeausdehnung es zu einem ausgezeichneten Material für den Einsatz bei hohen Temperaturen in Branchen wie der metallurgischen Fertigung oder der Luft- und Raumfahrt.

Was sind die Vorteile von Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid ist weithin bekannt für seine Härte, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit, niedrige Ausdehnungsrate und Wärmeleitfähigkeit - Eigenschaften, die es zum idealen Material für große Teleskopspiegel machen, wie z. B. die Spiegel des Herschel-Weltraumteleskops und des Gaia-Observatoriums. In beiden Einrichtungen werden Spiegel aus Siliziumkarbid verwendet[40].[41]

SiC ist ein schwierig zu bearbeitendes Material; die Kristalle müssen unter extrem hohen Temperaturen - etwa halb so heiß wie die Sonne - gezüchtet werden, bevor sie in runde Wafer geschnitten werden, die Wolfspeed entweder an andere Halbleiterhersteller verkauft oder in seinen Werken in New York und North Carolina selbst zu Chips verarbeitet.

Die Leistungshalbleiter von Wolfspeed sind wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Siliziumchips und werden in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge zur Reichweitenverlängerung sowie in Schnellladeinfrastrukturen und industriellen Stromversorgungen eingesetzt.

Nach diesem Erfolg sicherte sich das Unternehmen eine Finanzierung in Höhe von $5 Mrd., um seine Pläne zur Kapazitätserweiterung zu unterstützen. Diese Investition umfasst den Bau einer hochautomatisierten Anlage zur Herstellung von 200-mm-Wafern in Durham, NC, die zur weltweit größten Fabrik für Siliziumkarbid-Materialien werden wird. Darüber hinaus kündigte ZF ein gemeinsames Forschungszentrum in Höhe von mehreren Millionen Dollar an, das sich mit Systemen und Bauelementen aus Siliziumkarbid befassen soll, um bahnbrechende Innovationen in den Bereichen Elektromobilität und erneuerbare Energien zu fördern.

Wie wird Siliziumkarbid hergestellt?

Siliciumcarbid entsteht durch die Verbindung von Kohlenstoff- und Siliciumatomen in kleinen Molekülen, die sich zu verschiedenen Kristallstrukturen zusammenfügen, von denen die kubische (b-SiC) die stabilste ist. Bei Bedarf gibt es auch Polytypen.

SiC ist dafür bekannt, dass es sehr hart und haltbar ist und eine diamantähnliche Festigkeit aufweist. Aufgrund seiner einzigartigen Schichtstruktur kann SiC auch bei höheren Temperaturen als herkömmliche Siliziumchips als Halbleiter mit breiter Bandlücke fungieren; die problemlose Bewältigung großer Temperaturschwankungen macht SiC zu einer ausgezeichneten Wahl für Anwendungen in der Leistungselektronik.

Zur Herstellung von Siliciumcarbid muss b-SiC zunächst zu einem feinen Pulver gemahlen werden, bevor es mit nichtoxidischen Sinterhilfsmitteln (Bindemitteln) zu einer Paste verarbeitet wird. Zu den Bindemitteln gehören in der Regel organische Verbindungen wie Harnstoff oder Nitrate. Anschließend wird die Paste verdichtet und geformt, bevor sie bei hohen Temperaturen und unter Druck für kurze Zeit gesintert wird.

Nach dem Sintern wird das hergestellte SiC-Teil strengen Qualitätstests in Bezug auf Abmessungen und mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit unterzogen. Die Zertifizierungsverfahren sind für jeden Kunden obligatorisch und können in jeder Phase der Produktion stattfinden.

Was ist die Aufgabe von Wolfspeed?

Wolfspeed-Halbleiterchips unterscheiden sich von ihren Silizium-Gegenstücken dadurch, dass sie aus Siliziumkarbid (SiC) hergestellt sind. SiC-Chips arbeiten bei höheren Temperaturen effektiver und können diese sogar 10-mal schneller übertreffen.

Die Siliziumkarbidtechnologie bietet mehr Leistung auf kleinerem Raum zu geringeren Kosten und ist daher in allen Bereichen von Elektroautobatterien bis zur Solarenergieerzeugung und darüber hinaus von Nutzen. Die folgende Infografik zeigt einige der vielen Möglichkeiten auf, wie Siliziumkarbid unsere Welt zum Guten verändert.

Wolfspeed hat sich schnell als Weltmarktführer in der Siliziumkarbidherstellung etabliert. Das Vorgängerunternehmen Cree war der Pionier bei der Kommerzialisierung der SiC-Technologie und ist seither führend bei der Entwicklung von Bauelementen und Herstellungsprozessen, die kleinere Chips mit höherer Leistung produzieren.

Kürzlich schloss Wolfspeed einen umfangreichen Liefervertrag mit General Motors (NYSE: GM) über die Lieferung von Leistungsbauelementen für Elektrofahrzeug-Antriebsstränge, die SiC-Bauelemente von Wolfspeed für eine verbesserte Leistungsdichte und Reichweite enthalten.

Diese Partnerschaft ist für das Unternehmen ein wichtiger Schritt nach vorn, da sie ihm eine solide Plattform für die Expansion in seinem Hauptzielmarkt, der Elektrofahrzeugindustrie, bietet. Darüber hinaus werden weiterhin Design-in-Möglichkeiten in Höhe von $14,8 Mrd. geschaffen und die Kapazität der Produktionsanlage in Mohawk Valley - der weltweit ersten und größten Anlage zur Herstellung von 200-mm-Siliziumkarbid-Bauelementen mit kompromissloser Waferqualität und höherer Ausbeute - wird erweitert.