Il carburo di silicio è destinato ad alimentare tutto, dai veicoli elettrici e i caricabatterie veloci alla cattura e allo stoccaggio di energia rinnovabile

Con 36 anni di esperienza nel settore del carburo di silicio, Cree/Wolfspeed ritiene di possedere le conoscenze e le capacità necessarie per alimentare veicoli elettrici e caricabatterie veloci, infrastrutture wireless 5G e applicazioni di cattura e stoccaggio di energia rinnovabile.

L'azienda vanta una vasta pipeline di opportunità e sta rapidamente aumentando la capacità produttiva con l'apertura di nuovi impianti e strutture, come il campus in North Carolina dove opera la John Palmour Silicon Carbide Materials Factory.

Perché il carburo di silicio?

Il carburo di silicio è un composto cristallino estremamente duro di silicio e carbonio prodotto sinteticamente. Dalla fine del XIX secolo, l'ossido di alluminio (AO) è stato utilizzato come abrasivo in varie applicazioni industriali e metallurgiche, come rivestimenti refrattari per forni e motori a razzo ad alta temperatura. I materiali compositi in fibra di carbonio sono ampiamente utilizzati come componenti di componenti ingegneristici ad alte prestazioni per applicazioni che comportano condizioni di temperatura estreme, tra cui cuscinetti di pompe, valvole, iniettori di sabbiatura, utensili da taglio e matrici di estrusione. L'elevato punto di fusione garantisce un funzionamento stabile in ambienti ad alta temperatura, mentre la forza, la durezza, la durata e la resistenza alla corrosione ne fanno una scelta ceramica popolare per le armature e le parti della carrozzeria dei veicoli aerospaziali e delle automobili.

Il carburo di silicio si distingue tra i materiali semiconduttori in elettronica grazie alla sua particolare struttura atomica, che gli conferisce utili proprietà semiconduttive. Il carburo di silicio può condurre l'elettricità a tensioni più elevate rispetto alla sua controparte in silicio, rendendo possibili dispositivi elettronici più piccoli e più veloci. Il carburo di silicio riduce le perdite di tensione e di corrente, migliorando al contempo l'efficienza termica e la densità di potenza - qualità che lo rendono il materiale ideale per gli ambienti dei veicoli elettrici (EV) e per altre applicazioni emergenti.

Gli anni di successo di Wolfspeed come azienda di illuminazione a LED hanno fornito l'esperienza necessaria per produrre wafer di carburo di silicio di alta qualità, necessari per i dispositivi elettronici. I loro processi di produzione garantiscono bassi tassi di difettosità che contribuiscono direttamente alle prestazioni e all'affidabilità.

I MOSFET al carburo di silicio Wolfspeed sono diventati la scelta obbligata per le applicazioni sui veicoli elettrici grazie alla loro capacità di resistere a forti sbalzi di temperatura e ad ambienti umidi, che li rendono perfetti per l'ambiente difficile all'interno di un veicolo elettrico. Con l'adozione dei veicoli elettrici, la domanda di elettronica di potenza ad alte prestazioni continuerà ad aumentare, e Wolfspeed è leader del settore con MOSFET al carburo di silicio che forniscono tensione e corrente maggiori, riducendo al contempo al minimo la produzione di calore e migliorando l'efficienza energetica.

Wolfspeed e Renesas hanno recentemente annunciato un accordo di fornitura decennale di wafer di carburo di silicio nudo ed epitassiale da 150 mm per i dispositivi di potenza Renesas, realizzando la strategia di Wolfspeed di fornire agli OEM i semiconduttori di carburo di silicio ad ampio bandgap necessari per i progetti futuri.

Applicazioni

Man mano che la società diventa più attenta all'energia, la domanda di fonti energetiche alternative, di misure di riduzione degli sprechi e di miglioramento dell'efficienza delle batterie aumenta in modo significativo. I chip in carburo di silicio (SiC) di Wolfspeed possono svolgere un ruolo essenziale in applicazioni di potenza come i veicoli elettrici, le stazioni di ricarica rapida, le infrastrutture wireless 5G e l'accumulo e la cattura di energia rinnovabile.

Il SiC è tre volte più resistente del silicio per quanto riguarda la capacità di trasporto della corrente e vanta prestazioni termiche migliori per i sistemi che richiedono un'elevata affidabilità, il che significa minori perdite di potenza nei sistemi che lo utilizzano. Il punto di fusione e il punto di ebollizione ridotti del SiC lo rendono anche più sicuro da maneggiare.

I MOSFET SiC Gen3, 3300V bare-die di Wolfspeed possono aiutare i progettisti a ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei sistemi, aumentando contemporaneamente la densità energetica. I MOSFET SiC presentano una perdita di commutazione inferiore di 20% e perdite parassite ridotte di 50% rispetto ai tradizionali semiconduttori di potenza al silicio, oltre a funzionare a frequenze di commutazione più elevate per una maggiore efficienza su tutti i carichi.

È stato dimostrato che i dispositivi SiC negli azionamenti dei motori industriali riducono in modo significativo le perdite complessive del sistema fino a 2,6%, rendendo i SiC conformi ad alcuni dei più severi standard di efficienza globale, come SEER, ESEER e SCOP in America e Cina, nonché ai requisiti GB21455 in Cina. In questo modo, i progettisti possono raggiungere gli obiettivi di efficienza, aumentando al contempo le dimensioni complessive del sistema e riducendo le emissioni di rumore udibile.

La tecnologia di Cree ha trasformato l'industria dei veicoli elettrici e Wolfspeed è pronta a soddisfare una domanda in rapida crescita con il lancio di un ampio impianto di produzione di chip da 200 mm nella Mohawk Valley dello Stato di New York e con l'avvio della costruzione della mega fabbrica di materiali da 200 mm a Durham.

Wolfspeed sviluppa semiconduttori ad ampio bandgap basati sul carburo di silicio e sul nitruro di gallio (GaN) da utilizzare nei motori dei veicoli elettrici (EV), negli alimentatori, nelle applicazioni di raccolta dell'energia solare, nei trasporti, nelle applicazioni militari e nei sistemi militari di terra. Wolfspeed gestisce strutture di ricerca e sviluppo in North Carolina, California, Arkansas e New York e produce dispositivi GaN nei suoi stabilimenti di produzione in North Carolina e California. Con l'obiettivo di cogliere $40 miliardi di opportunità nella tecnologia del carburo di silicio e di accelerare la crescita dei ricavi attraverso i piani di espansione dei Fabs e degli impianti di materiali, l'azienda intende cogliere $40 miliardi di opportunità nella tecnologia del carburo di silicio.

Design

I dispositivi Wolfspeed in carburo di silicio (SiC) ad ampio bandgap offrono notevoli vantaggi nelle applicazioni di elettronica di potenza, tra cui la riduzione delle dimensioni, del peso e della complessità progettuale del sistema, l'aumento dell'efficienza, le nuove possibilità di progettazione e la riduzione dei costi.

Il SiC è la scelta ideale per l'elettronica ad alte prestazioni utilizzata nei veicoli elettrici, negli azionamenti dei motori industriali, nelle soluzioni di accumulo di energia rinnovabile e nelle applicazioni di infrastrutture ferroviarie che richiedono la massima densità di potenza e le migliori prestazioni. Un chip può sostituire più componenti nei convertitori convenzionali, continuando a gestire la corrente di carico e a fornire una potenza di uscita maggiore rispetto al passato. Questi vantaggi rendono il SiC una scelta eccellente per le applicazioni elettroniche ad alta potenza come le auto elettriche, gli azionamenti dei motori industriali, le soluzioni di accumulo di energia rinnovabile e le applicazioni di infrastrutture ferroviarie.

La chiave di queste nuove capacità di gestione della potenza del SiC è la sua struttura e le sue proprietà uniche: come il diamante, il SiC è noto per essere una delle sostanze più dure conosciute dall'uomo; tuttavia la sua conducibilità elettrica e le sue capacità termiche sono superiori a quelle di altri materiali. Il lavoro svolto dal predecessore Cree - ora Wolfspeed - comprendeva anche innovazioni nella progettazione dei dispositivi che consentivano di realizzare chip più piccoli con potenze paragonabili a quelle dei tradizionali semiconduttori di potenza al silicio.

I prodotti di potenza Wolfspeed hanno registrato un rapido aumento della domanda sin dal loro lancio, avvenuto lo scorso anno, grazie all'esplosiva espansione del mercato dei veicoli elettrici. Per far fronte a questa opportunità senza precedenti, Wolfspeed ha effettuato investimenti significativi per aumentare la capacità produttiva del proprio impianto di produzione di dispositivi SiC da 200 mm, recentemente inaugurato nella Mohawk Valley di New York, dello stabilimento di Durham per la produzione di materiali e del secondo impianto da 200 mm previsto in Germania, nel Saarland.

L'ampia selezione di prodotti MOSFET di potenza "bare die" di Wolfspeed offre ai progettisti la flessibilità di realizzare in proprio soluzioni basate sul carburo di silicio, in combinazione con i suoi strumenti di supporto alla progettazione che consentono di risparmiare tempo, aiutando gli ingegneri a ottenere prestazioni più elevate, costi inferiori e una maggiore affidabilità del sistema per i progetti al carburo di silicio di prossima generazione.

Tecnologia

La tecnologia MOSFET al carburo di silicio di Wolfspeed consente ai clienti di alimentare di più con meno. Questo non solo è un bene per l'ambiente, ma anche per i loro profitti. I loro MOSFET SiC da 650 V vantano un costo inferiore per watt, velocità di commutazione più elevate e prestazioni termiche superiori, perfette per i progetti di energia rinnovabile con drastici sbalzi di temperatura. La durata e l'affidabilità rendono questi MOSFET molto adatti.

Il carburo di silicio è un materiale difficile da lavorare, eppure Cree (recentemente cambiata in Wolfspeed) è stata un'innovatrice nella progettazione dei dispositivi e nei processi di produzione. Le loro innovazioni hanno permesso di ottenere chip più piccoli per potenze nominali e di aumentare la densità dei dispositivi su un wafer; tutto ciò ha portato a una significativa riduzione dei costi e a una maggiore adozione della tecnologia del carburo di silicio da parte di vari settori industriali.

Wolfspeed ha intrapreso una serie di iniziative per soddisfare questa domanda in rapido aumento, come la costruzione del primo e più grande impianto al mondo per la produzione di SiC da 200 mm presso la fabbrica di Mohawk Valley a New York, l'apertura del John Palmour Manufacturing Center for Silicon Carbide Crystal Growth a Siler City in North Carolina e la creazione di una mega fabbrica di materiali presso la sede centrale del campus statunitense a Durham N.C. Questa espansione genererà un incredibile aumento di 30 volte sia nella capacità di produzione di wafer SiC sia nella produzione di materiali.

Wolfspeed ha recentemente firmato un accordo di fornitura a lungo termine con un'azienda internazionale di semiconduttori per assicurarsi una fornitura costante di tecnologia di dispositivi di potenza al carburo di silicio necessari per le trasmissioni dei veicoli elettrici, l'elettronica industriale e le applicazioni di elettronica di potenza collegate alla rete. Questa collaborazione rafforza la visione di entrambe le aziende di una rapida transizione dai tradizionali semiconduttori al silicio ai dispositivi di potenza al carburo di silicio.

Wolfspeed e Mersen Graphite collaborano da tempo e sono leader nello sviluppo e nell'applicazione di materiali high-tech a base di carbonio utilizzati nelle tecnologie di conversione dell'energia, come la produzione di substrati di carburo di silicio. Con il nuovo accordo, la collaborazione si è ulteriormente approfondita in questo settore: si stima che le vendite possano raggiungere i 400 milioni di dollari nel corso del periodo iniziale di cinque anni.