Vékony chipek és strapabíró szubsztrátok – kulcsfontosságú technológiák a költséghatékony szilícium-karbid teljesítmény elektronikához

Teljesítményelemek egy szilícium-karbid szilíciumlapkán, amelyet a Fraunhofer IISB saját tisztatérében gyártottak. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Teljesítményeszközök egy szilícium-karbid szilíciumlapkán, amelyet a Fraunhofer IISB saját tisztatérében dolgoztak fel. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

A szilícium-karbid jelentős technológiai előnyöket kínál az erőátviteli elektronikában – hátránya továbbra is a költségek magas szintje. A „ThinSiCPower” kutatási projekt keretében egy Fraunhofer-intézetekből álló konzorcium kulcsfontosságú technológiákat fejleszt, amelyek csökkentik az anyagfelhasználást és az eszközök vastagságát, miközben növelik az épített SiC-alkatrészek termomechanikai stabilitását. Az elért megtakarítások hozzájárulnak ahhoz, hogy gyorsabban nyíljon meg a piac az energiahatékony SiC-alkatrészek előtt.

A félvezetőtechnológia a szilícium utáni korszak küszöbén

A széles sávszélességű félvezető, szilícium-karbid (SiC) alapú erőátviteli elektronika kulcsfontosságú ajtókat nyit az energiahatékony, fenntartható és magas teljesítményű alkalmazások előtt az elektromobilitásban – az autóktól a haszongépjárműveken át a vasút, hajó és repülőgépig, a megújuló energia termelésében, szállításában és tárolásában, valamint az IT- és ipari infrastruktúrákban. Ez egy fontos építőkövét és versenyképes tényezőjét jelenti a jelenlegi globális átalakulási folyamatoknak a mobilitás, energia és digitalizáció területein. A SiC-alkatrészek piaca éves növekedési rátája meghaladja a 30 százalékot. A hagyományos szilíciumtechnológiával szemben a SiC-alkatrészek alkalmazásával egy tipikus hajtásváltóban több energiát lehet megtakarítani, mint amennyibe a SiC-alkatrészek gyártása kerül.

Míg a SiC technológiai előnyei fizikailag nyilvánvalóak, a magasabb költségek a bevezetés gyorsaságát akadályozzák. A chipköltségek több mint háromszorosára nőnek a szilíciummal szemben. Itt a SiC-kiindulówafer a legnagyobb költségtényező. Egy SiC-alapú fém-oxid félvezető tranzisztor (MOSFET) gyártási költségeinek több mint 40 százalékát teszi ki. Emellett a kedvezőtlen mechanikai tulajdonságok és a nagy vastagság miatt az elektronika csak körülbelül 30 százalékát éri el a termomechanikai élettartamnak a szilíciummal összehasonlítva. Ez a hátrány körülbelül 25 százalékkal nagyobb chipfelületet és körülbelül 25 százalékkal magasabb alkalmazási költségeket eredményez egy váltó esetében.

Költséghatékony SiC-alkatrészek szálak és csiszolás nélkül

A hároméves ThinSiCPower (2024-2027) projektben, amelyet a Fraunhofer belső „PREPARE” program támogat, a kutatók alternatív módszert fejlesztenek olcsó SiC-alkatrészek gyártására és lényegesen vékonyabb SiC-lapkák előállítására, erőforrás-kímélőbb technológiákkal. Ezúttal a drága és kiváló minőségű SiC-wafereket nem szokás szerint anyagveszteséggel vágják szét, majd később vékonyítják a gyártási folyamat során, hanem a SiC-kristályt egy speciális lézeres eljárással közvetlenül, nagy anyagveszteség nélkül választják el vékonyabb lapokra, amelyeket egy polikristályos SiC alapú hordozóra kötnek. Ez lehetővé teszi, hogy egy kristályból sokkal több lapka készülhessen. Továbbá a „Poly-SiC” néven ismert anyag a monokristályos szubsztrátokhoz képest lényegesen kedvezőbb mechanikai tulajdonságokat kínál, ami pozitívan hat a termomechanikai terhelésváltással szembeni ellenállásra. A lényegesen vékonyabb felépítés jobb hőelvezetést biztosít.

A ThinSiCPower-rel teljes SiC-folyamatlánc, németországban készült

A Fraunhofer ISE, ENAS és IWM intézetek, valamint a Fraunhofer IISB, mint projektkoordinátor, összefogják szakértelmüket a ThinSiCPower projektben. A Poly-SiC hordozóalapú szubsztrát gyártására egy, a Fraunhofer IISB által kifejlesztett SiC bevonástechnológiát adaptálnak, amely költség- és erőforráskímélőbb, mint a korábbi, kémiai gázfázisú lerakási módszer. A vékony SiC lapkák veszteségmentes szétválasztását egy lézer végzi, amely meghatározott mechanikus előkészítést alkalmaz (Fraunhofer ISE), majd a szétválasztás mechanikus feltételek között történik a kontrollált repedéshordozás érdekében (Fraunhofer IWM). A Poly-SiC szubsztrát kötési folyamatának fejlesztése, beleértve a felületi előkészítést a kötés előtt és után, a Fraunhofer ENAS-nál zajlik, míg a későbbi eszközgyártási és minősítési folyamatokat ismét a Fraunhofer IISB végzi. A piaci elfogadottság növelése érdekében a partnerek kifejlesztik az alacsony vastagságú lapkák elektromos tesztelésének módszereit, valamint a „Physics-of-failure” szimulációs modelleket. Ezáltal széleskörű alkalmazhatóságot kívánnak elérni a releváns iparágakban.

A költséghatékony vékony SiC-lapkák és Poly-SiC szubsztrátok gyártásával a SiC-alkatrészek költségei 25 százalékkal csökkenthetők. Emellett további 25 százalékos csökkenést céloznak meg a SiC-alkatrészek méretezési költségeiben, 300 százalékos növeléssel a terhelésváltási tartósságban. A célpiacok között szerepelnek félvezető- és teljesítménymodul gyártók, valamint azok gyártási és berendezés szállítói, egészen a tesztberendezés beszállítókig. A részt vevő intézetek a projekt keretében összefogják szakértelmüket egy teljes, magas innovációs és jövőképes SiC-folyamatlánc kiépítéséhez a Mikroelektronika Németország Kutatási Gyárában (FMD). A konzorcium közvetlen ipari partnerek támogatásával kap tanácsadást.

A ThinSiCPower projekt nemcsak a szilícium-karbid piaci térnyerését gyorsítja fel a költségcsökkentés és a koncepcionális előnyök révén, hanem hozzájárul egy innovatív, ellenálló és iparilag releváns SiC-technológiai értéklánc kialakításához Németországban és Európában.