Karbid kremíka Novinky pre elektronickú mobilitu

Zatiaľ čo vedúci pracovníci v oblasti polovodičov lamentujú nad pomalým dopytom a nadbytočnými zásobami, jeden sektor sa zdá byť odolný: výkonové obvody z karbidu kremíka používané v elektrických vozidlách.

Spoločnosti, ktoré chcú tento trh využiť, by však mohli pri prechode na 200 mm wafery naraziť na komplikácie, čo tento týždeň viedlo k poklesu akcií spoločností Wolfspeed a STM.

Výkonové polovodiče

Výkonové polovodičové zariadenia sa používajú na riadenie, zosilňovanie a spínanie toku elektrického prúdu v obvodoch. Na splnenie tejto úlohy majú v porovnaní s polovodičovými zariadeniami signálovej úrovne oveľa vyššie menovité napätie a väčšie plochy p-n prechodov ako signálové polovodiče.

Výkonové diódy sú podkategóriou výkonových polovodičov určených na spracovanie vysokých úrovní výkonu. Na to, aby to robili efektívne, potrebujú širokú plochu p-n prechodu, aby zvládli väčší prúd. Akonáhle však pevné prvky dosiahnu svoj prah maximálnej prúdovej hustoty, ich funkčnosť sa zhorší a zahrievajú sa príliš rýchlo na to, aby zostali funkčné.

Keďže energetická účinnosť je čoraz dôležitejšia, výkonové polovodiče, ktoré minimalizujú straty, sú čoraz žiadanejšie. Karbid kremíka a nitrid gália (GaN) preukázali svoju schopnosť otvárať nové možnosti v rámci technológie výkonových polovodičov.

Polovodičové tranzistory na báze oxidov kovov (MOSFET) sa stali všadeprítomným prvkom dnešnej elektroniky, od osobných počítačov a smartfónov až po elektromobily a ďalšie zariadenia. MOSFETy slúžia ako polovodičové spínače, ktoré riadia tok elektriny medzi elektronickými signálmi. Ich použitie siaha od riadenia systémov regulácie prietoku v herných konzolách, telefónoch až po automobily.

Výkonové polovodičové zariadenia GaN a SiC prekonali tradičné kremíkové MOSFETy, pokiaľ ide o výkon v širšom teplotnom rozsahu, a ponúkli vyššie spínacie rýchlosti s nižšími stratami pri vedení a spínaní, vyššie spínacie rýchlosti s väčšími spínacími rýchlosťami, vyššiu teplotnú odolnosť a menej parazitných efektov ako ich náprotivky na báze kremíka.

Výkonové polovodiče ponúkajú mnohé výhody pre mnohé aplikácie vrátane úspory energie a nižších nákladov. Nájdete ich v elektrických vozidlách a nabíjacích systémoch, priemyselných motoroch a priemyselných pohonoch motorov; ich prítomnosť pomáha znižovať straty v motoroch na striedavý prúd, ako aj zlepšovať presnosť napájania, polí solárnych článkov a elektrických sietí.

Výkonové polovodiče sú nepostrádateľnou súčasťou väčšiny systémov obnoviteľných zdrojov energie, pretože zabezpečujú reguláciu napätia, konverziu frekvencie a premenu jednosmerného prúdu na striedavý a zároveň pomáhajú riadiť toky elektrickej energie v elektrárňach.

Automobilový priemysel

Karbid kremíka (SiC) je robustná hexagonálna chemická zlúčenina pozostávajúca z kremíka a uhlíka, ktorá vykazuje silné kovalentné väzby a vytvára materiál s dlhou životnosťou a Mohsovou stupnicou tvrdosti, ktorá sa nachádza niekde medzi tvrdosťou oxidu hlinitého (9) a diamantu (10). Vďaka svojej nízkej tepelnej rozťažnosti a pevnostným vlastnostiam sa SiC široko používa v priemyselnej keramike ako abrazívum a má vynikajúce mechanické vlastnosti vrátane odolnosti proti opotrebovaniu a vysokej rázovej húževnatosti - dve vlastnosti, ktoré viedli k širokému komerčnému využitiu oproti jeho predchodcom.

Tvrdé, abrazívne a žiaruvzdorné vlastnosti karbidu kremíka sú známe už dlho, ale jeho polovodičové vlastnosti sú tým, čo ho poháňa ako jeden z najmodernejších materiálov v súčasnej výkonovej elektronike. Široké pásové rozhranie SiC umožňuje zariadeniam vyrobeným z tohto materiálu mať vyššie prierazné napätie a nižší odpor pri zapnutí v porovnaní s polovodičmi na báze kremíka.

Nízky vnútorný odpor SiC z neho robí neoceniteľnú súčiastku v aplikáciách výkonových polovodičov, ktorá pomáha znižovať spínacie straty tým, že umožňuje voľnejší tok elektrónov cez svoje zariadenia, a tým vytvára účinné tyristorové obvody, IGBT, MOSFET atď.

SiC je tiež ideálnym materiálom na použitie v meničoch pre elektrické vozidlá, pretože môže zvýšiť účinnosť a zvýšiť dojazd znížením veľkosti systému riadenia napájania pri súčasnom zvýšení hustoty výkonu. Podľa odhadu spoločnosti Goldman Sachs by použitie SiC v meničoch mohlo výrobcom ušetriť odhadom až $2 000 výrobných nákladov a spotreby energie na jedno vozidlo.

Výroba karbidu kremíka je zložitý proces, ktorý zahŕňa rôzne fázy od surovín až po výrobu hotových výrobkov. Počnúc prírodnými horninovými zdrojmi sa prášková forma SiC získava buď pomocou drviča bauxitu, alebo vysokej pece a vyrába sa do práškovej formy na použitie ako surovina pre ďalšie procesy. Vyrobené ingoty potom skúsení pracovníci starostlivo a dôkladne ručne triedia, aby spĺňali požiadavky zákazníkov, pokiaľ ide o čistotu a kvalitu, pričom konečné výrobky sú k dispozícii v zelených alebo čiernych odtieňoch, ktoré sa pohybujú v rozmedzí čistoty 87-94%. Najmodernejší závod spoločnosti Elkem na výrobu karbidu kremíka v Liege v Belgicku funguje pod názvom EPS (Elkem Processing Services). Tento závod dodáva suroviny a hotové výrobky vysokej čistoty do viacerých priemyselných odvetví vrátane výroby železa a ocele, výroby keramiky, výroby neželezných kovov, energetiky, chemikálií a automobilového priemyslu.

Pohony priemyselných motorov

Karbid kremíka (SiC) je mimoriadne tvrdý, sivozelený materiál s chemickým vzorcom SiC, ktorý patrí medzi najtvrdšie látky známe ľuďom a na jeho rezanie sú potrebné čepele s diamantovými hrotmi. Karbid kremíka sa tiež správa ako polovodičový materiál; to znamená, že po úprave prímesami alebo dopingovými látkami môže vykazovať polovodivé vlastnosti, ktoré umožňujú priechod prúdu, pričom ho úplne nezablokujú - je to vynikajúci kandidát na výkonové polovodičové zariadenia.

V porovnaní s tradičnými kremíkovými polovodičmi majú organické polovodiče oproti svojim predchodcom niekoľko výhod. Znášajú vyššie teploty, pričom znižujú požiadavky na aktívne chladenie a zvyšujú spínacie frekvencie - všetky tieto vlastnosti umožňujú výrobcom navrhovať ľahšie elektromotory s vyššou účinnosťou.

Túto technológiu využívajú výrobcovia výkonovej elektroniky, ktorí sa snažia uspokojiť stále rastúci dopyt po elektrických vozidlách. Spoločnosť GE v spolupráci so spoločnosťou Wolfspeed vyvinula súpravu SpeedVal Kit, ktorá používateľom umožňuje testovať výkonnosť zariadení SiC. Ďalšie spoločnosti, ako napríklad McLaren Applied, pracujú na konštrukcii meničov, ktoré vydržia vyššie požiadavky na napätie pre elektrické vozidlá.

Spoločnosť Onsemi intenzívne investuje do svojho najmodernejšieho zariadenia na výrobu 200 mm plátkov v juhokórejskom Bucheone a rozširuje ho na plnú výrobnú kapacitu viac ako milión 200 mm plátkov ročne.

Ide o prvú veľkú továreň, ktorá sa špecializuje na výrobu karbidu kremíka, čo je súčasťou prebiehajúceho trendu medzi výrobcami polovodičov odkloniť sa od konvenčnej výroby kremíka z dôvodu obmedzenia nákladov a kapacity.

Výrazne nižšia cena karbidu kremíka prilákala výrobcov všetkých druhov, ktorí sa pustili do jeho výroby. Podľa správy spoločnosti Yole Research by ceny 8-palcových substrátov mali naďalej klesať, keďže sa výroba rozširuje - čo platí najmä pre 8-palcové substráty, kde sedem výrobcov dosiahlo alebo v priebehu jedného až dvoch rokov dosiahne masovú výrobu, vrátane dvoch epitaxných závodov s celkovou kapacitou 21 000 mm2. Yole tiež poznamenáva, že dopyt po výkonových zariadeniach z karbidu kremíka sa časom zvýši.

E-mobilita

E-mobilita je zastrešujúci pojem, ktorý zahŕňa celý rad dopravných riešení, od osobných automobilov a autobusov až po nákladné a terénne vozidlá, spolu s ich podpornou infraštruktúrou, ako aj nabíjacími službami a riešeniami.

E-mobilita prináša viaceré environmentálne a ekonomické výhody. Elektrifikáciou dopravy sa znižujú globálne emisie CO2 a spotreba ropy, čo sú kroky k obmedzeniu klimatických zmien. Okrem toho podporuje hospodársky rozvoj, keďže väčšina priemyselných odvetví je závislá od efektívneho spôsobu prepravy tovaru, zákazníkov a zamestnancov.

E-vozidlá ponúkajú ďalšiu výhodu, pretože pomáhajú znižovať znečistenie ovzdušia. Ako vozidlá s nulovými emisiami vypúšťajú e-vozidlá oveľa menej skleníkových plynov a znečisťujúcich látok ako tradičné spaľovacie motory v mestskom prostredí, kde býva úroveň znečistenia najvyššia.

Vďaka týmto výhodám dopyt po e-mobilite prudko vzrástol a očakáva sa, že časom sa bude ďalej zvyšovať. Zástupcovia odvetvia však, žiaľ, čelia niekoľkým prekážkam, ktoré je potrebné prekonať, aby bolo možné efektívne prejsť na túto formu dopravy.

Jednou z hlavných výziev spojených s elektrickými vozidlami (EV) je rozšírenie kapacity akumulátorov. V súčasnosti sú batérie elektromobilov obmedzené veľkosťou vozidla, množstvom uskladnenej energie a cenou. Preto je potrebné inovovať, aby sa dosiahla optimálna rovnováha medzi hustotou energie, nákladmi a výkonom.

Podstatou e-mobility je zabezpečiť jej uhlíkovú neutralitu. To si vyžaduje, aby elektrina používaná na pohon vozidiel pochádzala z obnoviteľných zdrojov, a nie z uhlia alebo fosílnych palív, a aby bola vyrobená z recyklovaných materiálov, aby sa vytvorili skutočne ekologické vozidlá.

Výrobcovia, ktorí chcú uspieť, budú musieť pri vývoji výrobkov použiť integrovanú a komplexnú stratégiu, ktorá sa bude zaoberať týmito otázkami súčasne s tvorbou výrobku. Budú musieť prehodnotiť svoje stratégie, prevádzkové modely a dodávateľské reťazce; spolupracovať medzi sebou a spolupracovať na tvorbe nových technológií a služieb, ktoré posunú e-mobilitu vpred; ako aj spolupracovať medzi sebou pri vývoji takých technológií a služieb, ktoré môžu posunúť e-mobilitu vpred.

Napriek týmto prekážkam zostáva budúcnosť e-mobility svetlá a sľubná. Zvýšené používanie elektrických vozidiel prispeje k zdravšiemu životnému prostrediu, lepším podmienkam pre život v mestách a udržateľnejšiemu hospodárstvu.