Dispositivi di potenza al carburo di silicio Wolfspeed

Wolfspeed sviluppa materiali semiconduttori a banda larga e dispositivi di potenza da utilizzare nei veicoli elettrici, nelle stazioni di ricarica rapida, nelle reti 5G, nelle applicazioni di energia rinnovabile, nei programmi aerospaziali e di difesa e nei progetti di energia rinnovabile. Wolfspeed è attualmente leader mondiale nella produzione di dispositivi di potenza SiC (carburo di silicio).

Il progetto di costruzione del centro di produzione John Palmour per il carburo di silicio consentirà all'azienda di raddoppiare la capacità dei materiali per soddisfare la crescente domanda di prodotti in carburo di silicio.

Che cos'è il carburo di silicio?

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale cristallino composto da porzioni uguali di silicio e carbonio. Questo materiale duro e durevole resiste bene alle alte temperature e viene utilizzato in applicazioni industriali come sabbiatura, mole, parti di forni, ceramiche e prodotti ingegnerizzati.

Il SiC è un efficace materiale semiconduttore, grazie alla sua struttura atomica. Ciò consente agli elettroni di spostarsi facilmente tra le bande di valenza e di conduzione, permettendo ai dispositivi elettronici di condurre l'elettricità con un'efficienza molto maggiore rispetto a materiali come gli isolanti o i metalli.

Il SiC ha una resistenza alla tensione sorprendente, 10 volte superiore a quella del silicio, superando persino il nitruro di gallio oggi ampiamente utilizzato nelle applicazioni di elettronica di potenza. Ciò rende il SiC un materiale eccellente per l'impiego nei veicoli elettrici, nelle stazioni di ricarica rapida e negli inverter per le energie rinnovabili, tra le altre applicazioni.

La durezza, la durata e la resistenza alla corrosione del carburo di silicio ne consentono l'utilizzo in applicazioni ingegneristiche complesse, come i cuscinetti delle pompe, le valvole, gli iniettori di sabbiatura e le matrici di estrusione. Inoltre, l'elevato punto di fusione e le proprietà di bassa espansione termica lo rendono un materiale eccellente per l'uso ad alta temperatura in settori come la produzione metallurgica o le applicazioni aerospaziali.

Quali sono i vantaggi del carburo di silicio?

Il carburo di silicio è noto per la sua durezza, rigidità, conducibilità termica, basso tasso di espansione e conducibilità termica - qualità che lo rendono il materiale ideale per gli specchi dei telescopi di grandi dimensioni, come quelli del telescopio spaziale Herschel e dell'osservatorio Gaia. [Entrambe le strutture utilizzano specchi in carburo di silicio.[41]

Il SiC è un materiale difficile da lavorare; i cristalli devono essere coltivati a temperature estremamente elevate - circa la metà di quelle del sole - prima di essere tagliati in wafer circolari che Wolfspeed vende ad altri produttori di semiconduttori o produce in chip nei suoi stabilimenti di New York e della Carolina del Nord.

I semiconduttori di potenza Wolfspeed sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai chip di silicio standard e vengono utilizzati dagli inverter di trazione dei veicoli elettrici per estendere l'autonomia, nonché dalle infrastrutture di ricarica rapida e dagli alimentatori industriali.

In seguito a questo successo, l'azienda ha ottenuto un finanziamento di $5 miliardi per sostenere i suoi piani di espansione della capacità produttiva. L'investimento comprende la costruzione di uno stabilimento altamente automatizzato per la produzione di dispositivi wafer da 200 mm a Durham, NC, che diventerà la più grande fabbrica di materiali in carburo di silicio al mondo. Inoltre, ZF ha annunciato un centro di ricerca congiunto multimilionario dedicato ai sistemi e ai dispositivi in carburo di silicio, progettato per accelerare le innovazioni rivoluzionarie attraverso le sfide del mondo reale nel campo della mobilità elettrica e delle energie rinnovabili.

Come si produce il carburo di silicio?

Il carburo di silicio si forma combinando atomi di carbonio e silicio in piccole molecole che si assemblano in varie strutture cristalline, la più stabile delle quali è quella cubica (b-SiC). Se necessario, esistono anche politipi.

Il SiC è noto per essere molto duro e resistente, con una forza simile al diamante. Grazie alla sua particolare struttura a strati, il SiC può anche agire come semiconduttore ad ampio bandgap a temperature più elevate rispetto ai tradizionali chip di silicio; la facilità di gestire enormi sbalzi di temperatura rende il SiC una scelta eccellente per le applicazioni di elettronica di potenza.

Per produrre carburo di silicio, il b-SiC deve essere prima macinato in una polvere fine prima di essere combinato con un coadiuvante di sinterizzazione non ossido (legante) per formare una pasta. I tipi di legante includono tipicamente composti organici come l'urea o i nitrati; successivamente, la pasta compattata e modellata viene compattata prima della sinterizzazione ad alte temperature sotto pressione per brevi periodi di tempo.

Una volta avvenuta la sinterizzazione, il pezzo di SiC prodotto viene sottoposto a severi test di qualità per le dimensioni e le proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione e agli urti. I processi di certificazione sono obbligatori per ogni cliente e possono avvenire in qualsiasi fase della produzione.

Qual è la missione di Wolfspeed?

I chip semiconduttori Wolfspeed si distinguono dalle loro controparti in silicio perché sono costruiti in carburo di silicio (SiC). I chip SiC funzionano in modo più efficace a temperature più elevate e possono addirittura essere più veloci di 10 volte.

La tecnologia del carburo di silicio fornisce più energia in meno spazio e a costi ridotti, rendendola utile in tutti i settori, dalle batterie delle auto elettriche alla produzione di energia solare e oltre. Di seguito un'infografica che evidenzia solo alcuni dei molti modi in cui il carburo di silicio sta cambiando il nostro mondo in modo positivo.

Wolfspeed si è rapidamente affermata come leader mondiale nella produzione di carburo di silicio. L'azienda che l'ha preceduta, Cree, è stata pioniera nella commercializzazione della tecnologia SiC e da allora ha guidato le innovazioni nella progettazione dei dispositivi e nei processi di produzione, producendo chip più piccoli con prestazioni superiori.

Recentemente, Wolfspeed ha stipulato un ampio accordo di fornitura con General Motors (NYSE: GM) per la fornitura di dispositivi di potenza per le trasmissioni dei veicoli elettrici con dispositivi di potenza SiC di Wolfspeed per migliorare la densità di potenza e l'autonomia.

Questa partnership rappresenta un passo avanti fondamentale per l'azienda, in quanto le fornisce una solida piattaforma per espandersi all'interno del suo mercato di riferimento primario, il settore dei veicoli elettrici. Inoltre, l'azienda continua ad aggiungere opportunità di design-in per $14,8 miliardi e il suo impianto di Mohawk Valley - il primo e più grande impianto al mondo per la produzione di dispositivi in carburo di silicio da 200 mm con una qualità dei wafer senza compromessi e una maggiore resa - aumenta la sua capacità.