Siliciumcarbide wordt ingezet voor alles van elektrische voertuigen en snelladers tot het opvangen en opslaan van hernieuwbare energie

Met 36 jaar ervaring in het werken met siliciumcarbide gelooft Cree/Wolfspeed dat het de kennis en mogelijkheden heeft die nodig zijn om alles aan te drijven, van elektrische voertuigen en snelladers tot 5G draadloze infrastructuur en toepassingen voor het opvangen en opslaan van hernieuwbare energie.

Het bedrijf beschikt over een uitgebreide pijplijn met mogelijkheden en breidt de capaciteit snel uit door nieuwe fabrieken en faciliteiten te openen, zoals de campus in North Carolina waar de John Palmour Silicon Carbide Materials Factory actief is.

Waarom siliciumcarbide?

Siliciumcarbide is een extreem harde synthetisch vervaardigde kristallijne verbinding van silicium en koolstof. Sinds het einde van de 19e eeuw wordt aluminiumoxide (AO) gebruikt als schuurmiddel in verschillende industriële en metallurgische toepassingen, zoals vuurvaste bekledingen voor ovens en raketmotoren voor hoge temperaturen. Koolstofvezel composietmaterialen worden op grote schaal gebruikt als componenten in hoogwaardige technische componenten voor toepassingen waarbij extreme temperaturen een rol spelen, zoals pomplagers, kleppen, zandstraalinjectoren, snijgereedschappen en extrusiematrijzen. Hun hoge smeltpunt zorgt voor een stabiele werking in omgevingen met hoge temperaturen, terwijl hun sterkte, hardheid, duurzaamheid en corrosiebestendigheid het populaire keramische keuzes maken voor pantser- en carrosseriedelen in zowel ruimtevaart- als autovoertuigen.

Siliciumcarbide onderscheidt zich van de andere halfgeleidermaterialen in de elektronica dankzij de bijzondere atomaire structuur, waardoor het nuttige halfgeleidereigenschappen heeft. Siliciumcarbide kan elektriciteit geleiden bij hogere spanningen dan zijn siliciumtegenhanger, waardoor kleinere en snellere elektronische apparaten mogelijk worden. Siliciumcarbide vermindert spannings- en stroomverliezen en verbetert tegelijkertijd de thermische efficiëntie en vermogensdichtheid - eigenschappen die het tot het ideale materiaal maken voor omgevingen met elektrische voertuigen (EV) en andere opkomende toepassingen.

Wolfspeed's jarenlange succes als LED-verlichtingsbedrijf gaf hen de nodige ervaring om siliciumcarbide wafers van hoge kwaliteit te produceren die nodig zijn voor elektronische apparaten. Hun productieprocessen zorgen voor lage defectpercentages die direct bijdragen aan de prestaties en betrouwbaarheid.

Wolfspeed siliciumcarbide MOSFET's zijn de keuze bij uitstek geworden voor toepassingen in elektrische voertuigen omdat ze bestand zijn tegen grote temperatuurschommelingen en vochtige omgevingen, waardoor ze perfect geschikt zijn voor de ruwe omgeving in een EV. Naarmate meer mensen elektrische voertuigen gaan gebruiken, zal de vraag naar krachtige vermogenselektronica alleen maar toenemen. Wolfspeed leidt de industrie met siliciumcarbide MOSFET's die een hogere spanning en stroom leveren en tegelijkertijd de warmteproductie minimaliseren en de stroomefficiëntie verbeteren.

Wolfspeed en Renesas kondigden onlangs een 10-jarige leveringsovereenkomst aan voor 150mm siliciumcarbide kale en epitaxiale wafers voor Renesas power devices, waarmee Wolfspeed's strategie om OEM's te voorzien van brede bandkloof siliciumcarbide halfgeleiders die ze nodig hebben voor toekomstige ontwerpen, wordt vervuld.

Toepassingen

Naarmate de samenleving energiebewuster wordt, neemt de vraag naar alternatieve energiebronnen, maatregelen voor afvalvermindering en verbeteringen van de batterijefficiëntie aanzienlijk toe. De siliciumcarbide (SiC) chips van Wolfspeed kunnen een essentiële rol spelen in energietoepassingen zoals elektrische voertuigen, snellaadstations, 5G draadloze infrastructuur en opslag en opvang van hernieuwbare energie.

SiC is drie keer sterker dan silicium als het gaat om stroomvoercapaciteit en heeft verbeterde thermische prestaties voor systemen die een hoge betrouwbaarheid vereisen, wat minder vermogensverlies betekent in systemen die het gebruiken. Het lagere smeltpunt en kookpunt van SiC maakt het ook veiliger om mee om te gaan.

Wolfspeed's Gen3, 3300V bare-die SiC MOSFETs kunnen ontwerpers helpen systeemgrootte, gewicht en kosten te reduceren en tegelijkertijd de energiedichtheid te verhogen. SiC MOSFET's hebben 20% minder schakelverlies en 50% minder parasitaire verliezen in vergelijking met traditionele silicium vermogenshalfgeleiders; bovendien werken ze bij hogere schakelfrequenties voor een hogere efficiëntie bij alle belastingen.

Van SiC-apparaten in industriële motoraandrijvingen is aangetoond dat ze de totale systeemverliezen aanzienlijk verminderen met maximaal 2,6%, waardoor SiC voldoet aan enkele van de strengste wereldwijde efficiëntienormen zoals SEER, ESEER en SCOP in Amerika en China en aan de GB21455-vereisten in China. Daarom kunnen ontwerpers voldoen aan efficiëntiedoelstellingen en tegelijkertijd de totale systeemgrootte efficiënter maken en de hoorbare geluidsemissies verminderen.

De technologie van Cree heeft de EV-industrie getransformeerd en Wolfspeed is klaar om aan de snel toenemende vraag te voldoen met de lancering van een uitgebreide 200mm chipfabriek in de Mohawk Valley in de staat New York en met de start van de bouw van hun 200mm materialen megafabriek in Durham.

Wolfspeed ontwikkelt halfgeleiders met brede bandkloof op basis van siliciumcarbide en galliumnitride (GaN) voor gebruik in aandrijvingen voor elektrische voertuigen (EV), voedingen, toepassingen voor het oogsten van zonne-energie, transport, militaire toepassingen en militaire grondsystemen. Wolfspeed heeft onderzoeks- en ontwikkelingsfaciliteiten in North Carolina, Californië, Arkansas en New York en produceert GaN-apparaten in zijn productievestigingen in North Carolina en Californië. Met het oog op het benutten van de $40 miljard kansenpijplijn in siliciumcarbidetechnologie en het versnellen van de omzetgroei via greenfield Fabs en uitbreidingsplannen voor materiaalfabrieken is het bedrijf van plan om de $40 miljard kansenpijplijn in siliciumcarbidetechnologie te benutten.

Ontwerp

Wolfspeed's wide bandgap siliciumcarbide (SiC) devices bieden aanzienlijke voordelen in vermogenselektronica toepassingen, waaronder gereduceerde systeemgrootte, gewicht en ontwerpcomplexiteit; verhoogde efficiëntie; nieuwe ontwerpmogelijkheden en lagere kosten.

SiC is een ideale materiaalkeuze voor hoogwaardige elektronica die wordt gebruikt in elektrische voertuigen, industriële motoraandrijvingen, opslagoplossingen voor hernieuwbare energie en toepassingen voor spoorweginfrastructuur die een maximale vermogensdichtheid en prestaties vereisen. Eén chip kan meerdere componenten in conventionele converters vervangen en toch de belastingsstroom beheren en een groter uitgangsvermogen leveren dan voorheen. Deze voordelen maken SiC een uitstekende keuze voor elektronische toepassingen met hoog vermogen, zoals elektrische auto's, industriële aandrijvingen, oplossingen voor opslag van hernieuwbare energie en toepassingen voor spoorweginfrastructuur.

De sleutel tot deze nieuwe energieverwerkingscapaciteiten van SiC is zijn unieke structuur en eigenschappen: net als diamant staat SiC bekend als een van de hardste stoffen die de mens kent; toch overtreffen de elektrische geleidbaarheid en thermische capaciteiten die van andere materialen. Het pionierswerk van voorganger Cree - nu Wolfspeed - omvatte ook innovaties op het gebied van apparaatontwerp die kleinere chips met een vergelijkbaar vermogen als traditionele silicium vermogenshalfgeleiders mogelijk maakten.

De vraag naar Wolfspeed power producten is sinds hun lancering vorig jaar snel gestegen, gedreven door de explosieve groei van de markt voor elektrische voertuigen. Om aan deze ongekende vraag te kunnen voldoen, heeft Wolfspeed aanzienlijke investeringen gedaan om de capaciteit te verhogen van hun 200mm SiC-fabriek die onlangs is geopend in de Mohawk Valley in New York, de Durham-materialenfabriek en de geplande tweede 200mm-fabriek in Saarland, Duitsland.

Wolfspeed's brede selectie van 'bare die' power MOSFET producten geeft ontwerpers de flexibiliteit om zelf intern siliciumcarbide-gebaseerde oplossingen te bouwen, gecombineerd met hun tijdbesparende Design Support Tools, waardoor ingenieurs hogere prestaties, lagere kosten en verbeterde systeembetrouwbaarheid voor de volgende generatie siliciumcarbide ontwerpen kunnen realiseren.

Technologie

Wolfspeed's Silicon Carbide MOSFET technologie stelt klanten in staat om meer vermogen met minder. Dit is niet alleen goed voor het milieu, maar het is ook beter voor hun bottom line. Hun 650 V SiC MOSFET's hebben lagere kosten per watt, hogere schakelsnelheden en superieure thermische prestaties - perfect voor ontwerpen voor hernieuwbare energie met drastische temperatuurschommelingen. Duurzaamheid en betrouwbaarheid maken deze MOSFET's zeer geschikt.

SiC is een uitdagend materiaal om mee te werken, maar toch was Cree (onlangs veranderd in Wolfspeed) een vernieuwer op het gebied van apparaatontwerp en productieprocessen. Hun innovaties resulteerden in kleinere chips voor een bepaald vermogen en in een grotere dichtheid van apparaten op één wafer; dit alles leidde tot een aanzienlijke kostenverlaging en een groter gebruik van siliciumcarbidetechnologie door verschillende industrieën.

Wolfspeed heeft een aantal initiatieven genomen om aan deze snel toenemende vraag te voldoen, zoals de bouw van 's werelds eerste en grootste 200mm SiC-fabriek in hun fabriek in Mohawk Valley in New York; de opening van het John Palmour Manufacturing Center voor Silicon Carbide Crystal Growth in Siler City North Carolina; en de oprichting van een megafabriek voor materialen in hun Amerikaanse hoofdkwartier in Durham N.C. Deze uitbreiding zal een ongelooflijke 30-voudige toename van zowel de productiecapaciteit voor SiC-wafers als de productie van materialen genereren.

Wolfspeed ondertekende onlangs een langetermijn leveringsovereenkomst met een internationaal halfgeleiderbedrijf om een constante bevoorrading van siliciumcarbide vermogenstechnologie veilig te stellen die nodig is voor aandrijflijnen van elektrische voertuigen, industriële elektronica en netgekoppelde toepassingen voor vermogenselektronica. Deze samenwerking versterkt de visie van beide bedrijven op een snelle overgang van traditionele silicium halfgeleiders naar Silicon Carbide power devices.

Wolfspeed en Mersen Graphite werken al lang samen en zijn toonaangevend in de ontwikkeling en toepassing van hoogtechnologische koolstofhoudende materialen die gebruikt worden in energieomzettingstechnologieën zoals de productie van siliciumcarbidesubstraten. Onder hun nieuwe overeenkomst is de samenwerking in deze sector verder verdiept - de geschatte omzet zou 400 miljoen USD kunnen benaderen tijdens de initiële looptijd van vijf jaar.