Fines chips et substrats robustes – Technologies clés pour une électronique de puissance en carbure de silicium rentable

Éléments de puissance sur une plaquette en carbure de silicium, fabriqués dans la salle blanche interne du Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Dispositifs de puissance sur une plaquette en carbure de silicium, traités dans la salle blanche interne du Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Le carbure de silicium offre d'importants avantages techniques pour l'électronique de puissance – un inconvénient demeure cependant, à savoir le coût. Dans le cadre du projet de recherche « ThinSiCPower », un consortium d'instituts Fraunhofer développe des technologies clés permettant de réduire la consommation de matériaux et l'épaisseur des composants tout en augmentant la stabilité thermomécanique des puces en SiC fabriquées. Les économies réalisées devraient contribuer à accélérer encore davantage la pénétration du marché pour l'électronique de puissance en SiC efficace.

La technologie des semi-conducteurs à la frontière de l'ère post-silicium

L'électronique de puissance basée sur le semi-conducteur à large bandegap, le carbure de silicium (SiC), constitue une porte d'entrée essentielle pour des applications énergétiquement efficaces, durables et hautement performantes dans la mobilité électrique – du véhicule à l'automobile, en passant par les véhicules utilitaires, le ferroviaire, la marine et l'aéronautique, dans la production, le transport et le stockage d'énergies renouvelables, ainsi que pour les infrastructures informatiques et industrielles. Elle représente ainsi un élément clé et un facteur compétitif pour les processus de transformation mondiaux actuels dans les domaines de la mobilité, de l'énergie et de la digitalisation. Le marché des composants de puissance en SiC affiche des taux de croissance annuels supérieurs à 30 %. Par rapport à la technologie en silicium conventionnelle, l'utilisation de l'électronique de puissance en SiC permet d'économiser, dans un convertisseur d'entraînement typique, une quantité d'énergie supérieure d'une ordre de grandeur à celle nécessaire à la fabrication de l'électronique en SiC elle-même.

Alors que les avantages technologiques du SiC, en raison de ses propriétés physiques, sont évidents, le coût plus élevé par rapport au silicium établi demeure un obstacle à une pénétration encore plus rapide sur le marché. Le coût des puces est plus de trois fois supérieur à celui du silicium. La principale source de coût réside dans la plaquette de SiC brute. Dans le cas d’un transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) basé sur le SiC, celui-ci représente plus de 40 % du coût de fabrication. De plus, en raison des propriétés mécaniques défavorables et de l’épaisseur importante de la plaquette de SiC monocristallin, l’électronique fabriquée à partir de celle-ci n’atteint qu’environ 30 % de la durée de vie thermomécanique de celle en silicium. Cet inconvénient entraîne une augmentation d’environ 25 % de la surface de la puce et, dans le cas d’un convertisseur, des coûts d’environ 25 % plus élevés en application.

Substrats en SiC économiques sans sciage ni meulage

Dans le cadre du projet de trois ans ThinSiCPower (2024-2027), financé par le programme interne « PREPARE » des Fraunhofer, des chercheurs développent une voie alternative pour la fabrication de substrats en SiC économiques et de puces en SiC nettement plus minces, utilisant des technologies de traitement plus respectueuses des ressources. Au lieu de couper les plaquettes coûteuses et de haute qualité en utilisant une perte de matériau, comme c’est habituellement le cas, puis de les limer pour les rendre plus minces lors du processus de fabrication, le cristal de SiC est séparé en plaquettes plus fines par une procédure laser spéciale, sans pertes importantes de matériau, qui sont ensuite fixées sur un substrat porteur bon marché à base de SiC polycristallin. Cela permet de produire nettement plus de plaquettes à partir d’un seul cristal. De plus, le « Poly-SiC » offre, par rapport au substrat monocristallin, des propriétés mécaniques nettement plus avantageuses, ce qui améliore la résistance à la fatigue thermomécanique. La structure nettement plus fine permet également une meilleure dissipation thermique.

Avec ThinSiCPower vers une ligne de processus SiC complète, fabriquée en Allemagne

Les instituts Fraunhofer ISE, ENAS et IWM, ainsi que le Fraunhofer IISB en tant que coordinateur du projet, unissent leurs compétences dans ThinSiCPower. Pour la fabrication du substrat porteur en Poly-SiC, une technologie de dépôt de SiC développée par le Fraunhofer IISB est adaptée, laquelle est plus économique et plus respectueuse des ressources que la méthode traditionnelle par dépôt en phase vapeur chimique. La séparation des plaquettes minces en SiC, à faible perte, se fait à l’aide d’un laser pour une pré-découpe mécanique définie (Fraunhofer ISE), puis par séparation sous des conditions mécaniques bien contrôlées pour favoriser la propagation contrôlée des fissures (Fraunhofer IWM). Le développement du procédé de collage des plaquettes pour le substrat Poly-SiC, incluant la préparation de surface avant et après le processus de collage, est réalisé au Fraunhofer ENAS. La fabrication et la qualification des composants, quant à elles, se déroulent à nouveau au Fraunhofer IISB. Afin d’assurer une acceptation maximale sur le marché de cette nouvelle classe de substrats en SiC à coût réduit, les partenaires élaborent également des méthodes de test électriques adaptées au niveau des plaquettes minces, ainsi que des modèles de simulation « Physics-of-failure ». L’objectif est de rendre cette technologie largement applicable dans les secteurs concernés.

Une réduction de 25 % des coûts des composants en SiC est visée grâce au développement technologique pour la fabrication de plaquettes minces en SiC et de substrats en Poly-SiC. De plus, une diminution supplémentaire de 25 % des coûts de conception en SiC est prévue, grâce à une augmentation de 300 % de la résistance à la fatigue thermomécanique. Les marchés cibles incluent les fabricants de semi-conducteurs et de modules de puissance, ainsi que leurs fournisseurs de procédés et d’équipements, jusqu’aux fournisseurs d’équipements de test. Les instituts partenaires regroupent également leurs compétences pour la mise en place d’une ligne de fabrication complète, hautement innovante et prête pour l’avenir, pour la technologie SiC, au sein de la « Fábricque de microélectronique du futur » (FMD). Le consortium bénéficie également d’un soutien direct de partenaires industriels.

Le projet ThinSiCPower accélère, grâce à la réduction des coûts et aux avantages conceptuels, non seulement la pénétration du marché du carbure de silicium, mais aussi la sécurisation d’une chaîne de valeur technologique innovante, résiliente et industrielle en SiC, en Allemagne et en Europe.