Συσκευές ισχύος καρβιδίου πυριτίου Wolfspeed

Η Wolfspeed αναπτύσσει υλικά ημιαγωγών και συσκευές ισχύος ευρέος εύρους ζώνης για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα, σταθμούς ταχείας φόρτισης, δίκτυα 5G, εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, προγράμματα αεροδιαστημικής και άμυνας, καθώς και έργα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η Wolfspeed είναι σήμερα παγκόσμιος ηγέτης στην παραγωγή διατάξεων ισχύος SiC (καρβίδιο του πυριτίου).

Το έργο κατασκευής του John Palmour Manufacturing Center for Silicon Carbide θα επιτρέψει στην εν λόγω εταιρεία να αυξήσει τη δυναμικότητα των υλικών κατά δύο φορές για να ανταποκριθεί στις αυξανόμενες απαιτήσεις για προϊόντα καρβιδίου του πυριτίου.

Τι είναι το καρβίδιο του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα κρυσταλλικό υλικό που αποτελείται από ίσα μέρη πυριτίου και άνθρακα. Αυτό το σκληρό και ανθεκτικό υλικό αντιστέκεται καλά στις υψηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές όπως αμμοβολή, τροχοί λείανσης, εξαρτήματα φούρνων, κεραμικά και τεχνικά προϊόντα.

Το SiC είναι ένα αποτελεσματικό ημιαγωγικό υλικό, χάρη στην ατομική του δομή. Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να μετακινούνται εύκολα μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας, επιτρέποντας στις ηλεκτρονικές συσκευές να αγωγιμοποιούν τον ηλεκτρισμό με πολύ μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα από ό,τι με υλικά όπως οι μονωτές ή τα μέταλλα.

Το SiC έχει μια εκπληκτική αντίσταση τάσης που είναι 10 φορές μεγαλύτερη από το πυρίτιο, ξεπερνώντας ακόμη και το νιτρίδιο του γαλλίου που χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα σε εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος. Αυτό καθιστά το SiC μια εξαιρετική επιλογή υλικού για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα, σταθμούς ταχείας φόρτισης και μετατροπείς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μεταξύ άλλων εφαρμογών.

Η σκληρότητα, η ανθεκτικότητα και η αντίσταση στη διάβρωση του καρβιδίου του πυριτίου του επιτρέπουν να χρησιμοποιείται σε απαιτητικές μηχανολογικές εφαρμογές, όπως ρουλεμάν αντλιών, βαλβίδες, εγχυτήρες αμμοβολής και μήτρες εξώθησης. Επιπλέον, το υψηλό σημείο τήξης και οι ιδιότητες χαμηλής θερμικής διαστολής του το καθιστούν εξαιρετική επιλογή υλικού για χρήση σε υψηλές θερμοκρασίες σε βιομηχανίες όπως η μεταλλουργική κατασκευή ή οι αεροδιαστημικές εφαρμογές.

Ποια είναι τα οφέλη του καρβιδίου του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ευρέως γνωστό για τη σκληρότητα, την ακαμψία, τη θερμική αγωγιμότητα, το χαμηλό ρυθμό διαστολής και τη θερμική αγωγιμότητα - ιδιότητες που το καθιστούν ιδανικό υλικό για μεγάλα κάτοπτρα τηλεσκοπίων, όπως αυτά που βρίσκονται στα διαστημικά τηλεσκόπια Herschel και Gaia. [40] Και οι δύο εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν κάτοπτρα καρβιδίου του πυριτίου[41].

Οι κρύσταλλοι πρέπει να αναπτυχθούν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες - περίπου στο μισό της θερμοκρασίας του ήλιου - πριν κοπούν σε κυκλικές γκοφρέτες που η Wolfspeed είτε πουλάει σε άλλους κατασκευαστές ημιαγωγών είτε κατασκευάζει η ίδια σε τσιπ στις εγκαταστάσεις της στη Νέα Υόρκη και τη Βόρεια Καρολίνα.

Οι ημιαγωγοί ισχύος της Wolfspeed είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικοί από τα τυπικά τσιπ πυριτίου και χρησιμοποιούνται από μετατροπείς έλξης ηλεκτρικών οχημάτων για την επέκταση της εμβέλειας, καθώς και από υποδομές ταχείας φόρτισης και βιομηχανικά τροφοδοτικά.

Μετά από αυτή την επιτυχία, η εταιρεία εξασφάλισε χρηματοδότηση ύψους $5 δισεκατομμυρίων για να υποστηρίξει τα σχέδια επέκτασης της παραγωγικής της ικανότητας. Η επένδυση αυτή περιλαμβάνει την κατασκευή μιας εξαιρετικά αυτοματοποιημένης μονάδας κατασκευής συσκευών 200mm wafer στο Durham, NC, η οποία θα γίνει το μεγαλύτερο εργοστάσιο υλικών καρβιδίου του πυριτίου στον κόσμο. Επιπλέον, η ZF ανακοίνωσε ένα κοινό ερευνητικό κέντρο πολλών εκατομμυρίων δολαρίων αφιερωμένο στα συστήματα και τις συσκευές καρβιδίου του πυριτίου, σχεδιασμένο για να επιταχύνει τις επαναστατικές καινοτομίες μέσω πραγματικών προκλήσεων στον κόσμο της ηλεκτρονικής κινητικότητας και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε επίπεδο συστήματος.

Πώς παρασκευάζεται το καρβίδιο του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου σχηματίζεται με το συνδυασμό ατόμων άνθρακα και πυριτίου σε μικρά μόρια που συναρμολογούνται σε διάφορες κρυσταλλικές δομές, με την πιο σταθερή να είναι η κυβική (b-SiC). Υπάρχουν επίσης πολυτύποι, εάν απαιτείται.

Το SiC είναι γνωστό ότι είναι πολύ σκληρό και ανθεκτικό, με αντοχή που μοιάζει με διαμάντι. Λόγω της μοναδικής στρωματοειδούς δομής του, το SiC μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως ημιαγωγός με ευρύ χάσμα ζώνης σε θερμοκρασίες υψηλότερες από τα παραδοσιακά τσιπ πυριτίου- ο εύκολος χειρισμός τεράστιων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας καθιστά το SiC μια εξαιρετική επιλογή για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος.

Για την παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου, το b-SiC πρέπει πρώτα να αλεσθεί σε λεπτή σκόνη πριν συνδυαστεί με μη οξειδωτικό βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης (συνδετικό υλικό) για να σχηματιστεί μια πάστα. Οι τύποι συνδετικού υλικού περιλαμβάνουν συνήθως οργανικές ενώσεις όπως η ουρία ή τα νιτρικά άλατα- μετά από αυτό, η συμπιεσμένη και διαμορφωμένη πάστα συμπιέζεται πριν από την πυροσυσσωμάτωση σε υψηλές θερμοκρασίες υπό πίεση για μικρά χρονικά διαστήματα.

Μετά την πυροσυσσωμάτωση, το παραγόμενο τμήμα SiC υποβάλλεται σε αυστηρές δοκιμές ποιότητας ως προς τις διαστάσεις και τις μηχανικές ιδιότητες, όπως η αντοχή σε εφελκυσμό και η αντοχή στην κρούση. Οι διαδικασίες πιστοποίησης είναι υποχρεωτικές για κάθε πελάτη και μπορούν να πραγματοποιηθούν σε οποιοδήποτε στάδιο κατά τη διάρκεια της παραγωγής.

Ποια είναι η αποστολή της Wolfspeed;

Τα τσιπ ημιαγωγών Wolfspeed ξεχωρίζουν από τα αντίστοιχα τσιπ πυριτίου, καθώς κατασκευάζονται από καρβίδιο πυριτίου (SiC). Τα τσιπ SiC λειτουργούν αποτελεσματικότερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες και μπορούν να τα ξεπεράσουν ακόμη και 10 φορές ταχύτερα.

Η τεχνολογία καρβιδίου του πυριτίου παρέχει περισσότερη ισχύ σε μικρότερο χώρο με μειωμένο κόστος, καθιστώντας την χρήσιμη σε όλα τα πεδία, από τις μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων έως την παραγωγή ηλιακής ενέργειας και όχι μόνο. Ακολουθεί ένα infographic που αναδεικνύει μερικούς μόνο από τους πολλούς τρόπους με τους οποίους το καρβίδιο του πυριτίου αλλάζει τον κόσμο μας προς το καλύτερο.

Η Wolfspeed καθιερώθηκε γρήγορα ως ο παγκόσμιος ηγέτης στην κατασκευή καρβιδίου του πυριτίου. Η προκάτοχός της εταιρεία Cree ήταν η πρωτοπόρος στην εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας SiC και έκτοτε ηγείται των καινοτομιών στο σχεδιασμό συσκευών και στις διαδικασίες κατασκευής, παράγοντας μικρότερα τσιπ με μεγαλύτερες επιδόσεις.

Πρόσφατα, η Wolfspeed σύναψε εκτεταμένη συμφωνία προμήθειας με τη General Motors (NYSE: GM) για την προμήθεια διατάξεων ισχύος για συστήματα κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων που διαθέτουν διατάξεις ισχύος SiC της Wolfspeed για βελτιωμένη πυκνότητα ισχύος και εμβέλεια.

Αυτή η συνεργασία σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για την εταιρεία, καθώς της παρέχει μια σταθερή πλατφόρμα για να επεκταθεί στην κύρια αγορά-στόχο της, τη βιομηχανία EV. Επιπλέον, συνεχίζουν να προσθέτουν ευκαιρίες Design-in ύψους $14,8 δισεκατομμυρίων, και η μονάδα παραγωγής τους στο Mohawk Valley - η πρώτη και μεγαλύτερη παγκοσμίως εγκατάσταση κατασκευής συσκευών καρβιδίου πυριτίου 200mm με ασυμβίβαστη ποιότητα πλακιδίων και μεγαλύτερη απόδοση - επεκτείνει τη χωρητικότητά της.