Dünne Chips y sustratos robustos – Tecnologías clave para una electrónica de potencia de carburo de silicio rentable

Elementos de rendimiento en un obleas de carburo de silicio, fabricados en la sala limpia propia del instituto del Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Dispositivos de potencia en una oblea de carburo de silicio, procesados en la sala limpia interna del Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Carburo de silicio ofrece ventajas técnicas significativas para la electrónica de potencia, aunque un inconveniente sigue siendo el coste. En el proyecto de investigación »ThinSiCPower«, un consorcio de institutos Fraunhofer desarrolla tecnologías clave para reducir el consumo de material y el grosor de los componentes, al mismo tiempo que aumenta la estabilidad termomecánica de los chips de SiC fabricados. Los ahorros logrados contribuirán a acelerar aún más la entrada en el mercado de la electrónica de potencia de SiC eficiente.

La tecnología de semiconductores en la frontera de la era post-silicio

La electrónica de potencia basada en el semiconductor de banda ancha ancha carburo de silicio (SiC) es una puerta de entrada esencial para aplicaciones energéticamente eficientes, sostenibles y de alto rendimiento en la movilidad eléctrica, desde automóviles hasta vehículos comerciales, trenes, barcos y aviones, en la generación, transporte y almacenamiento de energías renovables, así como para infraestructuras de TI e industriales. Es, por tanto, un componente clave y un factor relevante para la competitividad en los procesos de transformación global actuales en movilidad, energía y digitalización. Se estima que el mercado de componentes de potencia de SiC crece a tasas anuales superiores al 30%. En comparación con la tecnología convencional de silicio, el uso de electrónica de potencia de SiC en un inversor típico permite ahorrar una cantidad de energía varias órdenes de magnitud mayor que la necesaria para fabricar la propia electrónica de SiC.

Mientras que las ventajas tecnológicas del SiC son evidentes debido a sus propiedades físicas, los costes más altos en comparación con el silicio establecido siguen siendo un obstáculo para una penetración más rápida en el mercado. Los costes de los chips son más de tres veces mayores que los del silicio. La mayor fuente de coste en estos chips es la oblea de SiC de origen. En el caso de un transistor de efecto campo de semiconductor de óxido metálico basado en SiC (MOSFET), esta representa más del 40% del coste de fabricación. Además, debido a las propiedades mecánicas desfavorables y al gran grosor de la oblea monocristalina de SiC, la electrónica fabricada con ella alcanza solo aproximadamente el 30% de la vida útil termomecánica en comparación con el silicio. Esta desventaja conduce a un aumento del tamaño del chip en aproximadamente un 25% y a unos costes en la aplicación en torno a un 25% mayores en un inversor.

Substratos de SiC económicos sin corte ni pulido

En el proyecto de tres años ThinSiCPower (2024-2027), financiado por el programa interno »PREPARE« de Fraunhofer, investigadores desarrollan una vía alternativa para fabricar substratos de SiC económicos y chips de SiC mucho más delgados, con tecnologías de procesamiento más sostenibles. En lugar de cortar los caros y de alta calidad obleas de SiC con pérdida de material y luego limarlas para reducir su grosor, el cristal de SiC se separa mediante un proceso láser especial sin pérdidas significativas de material, en obleas más delgadas que se unen a un sustrato portador económico basado en SiC policristalino. Esto permite fabricar muchas más obleas a partir de un solo cristal. Además, el llamado Poly-SiC ofrece propiedades mecánicas mucho más favorables en comparación con el sustrato monocristalino, lo que mejora su resistencia a cargas térmicas y mecánicas. La estructura significativamente más delgada también mejora la disipación del calor.

Con ThinSiCPower hacia una línea de proceso completa de SiC, fabricada en Alemania

Los institutos Fraunhofer ISE, ENAS e IWM, junto con el Fraunhofer IISB como coordinador del proyecto, reúnen sus competencias en ThinSiCPower. Para la fabricación del sustrato portador de Poly-SiC, se adapta una tecnología de recubrimiento de SiC desarrollada por el Fraunhofer IISB, que es más económica y sostenible en recursos en comparación con la variante de fabricación habitual mediante deposición química en fase gaseosa. La separación de las obleas delgadas de SiC con poca pérdida se realiza mediante un láser para crear una pre-dañada mecánica definida (Fraunhofer ISE) y posteriormente se separan bajo condiciones mecánicas controladas para propagar grietas de manera controlada (Fraunhofer IWM). El desarrollo del proceso de unión de obleas para el sustrato Poly-SiC, incluyendo la preparación superficial necesaria antes y después del proceso de unión, se realiza en el Fraunhofer ENAS, mientras que la posterior fabricación de componentes y su calificación se lleva a cabo en el Fraunhofer IISB. Para lograr una aceptación de mercado lo más alta posible para esta nueva clase de sustratos de SiC económicos, los socios también desarrollan métodos de prueba eléctrica adaptados a obleas delgadas y modelos de simulación »Physics-of-failure«. Esto permitirá una amplia aplicabilidad en los sectores relevantes.

Se busca reducir en un 25% los costes de los componentes de SiC mediante el desarrollo tecnológico para la fabricación de obleas delgadas de SiC y sustratos de Poly-SiC. Además, se pretende disminuir en otro 25% los costes de diseño de SiC mediante un aumento del 300% en la resistencia a cargas térmicas y mecánicas. Los mercados objetivo son fabricantes de semiconductores y módulos de potencia, así como proveedores de procesos y equipos, hasta proveedores de equipos de prueba. Los institutos participantes consolidan sus competencias para construir una línea de proceso de SiC completa, altamente innovadora y preparada para el futuro, dentro de la fábrica de investigación de microelectrónica de Alemania (FMD). La colaboración recibe apoyo directo de socios industriales.

El proyecto ThinSiCPower acelera, mediante la reducción de costes y ventajas conceptuales, no solo la penetración de mercado del carburo de silicio, sino que también contribuye a asegurar una cadena de valor de tecnología de SiC innovadora, resiliente y relevante para la industria en Alemania y Europa.