Fette chips e substrati robusti – tecnologie chiave per un'elettronica di potenza in carburo di silicio economicamente efficiente

Elementi di potenza su un wafer di carburo di silicio, prodotti nel cleanroom interno del Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Dispositivi di potenza su un wafer di carburo di silicio, lavorati nel cleanroom interno del Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Il carburo di silicio offre notevoli vantaggi tecnici per l'elettronica di potenza – uno svantaggio rimangono ancora i costi. Nel progetto di ricerca «ThinSiCPower», un consorzio di istituti Fraunhofer sviluppa tecnologie chiave per ridurre il consumo di materiale e lo spessore dei dispositivi, aumentando allo stesso tempo la stabilità termomeccanica dei chip SiC prodotti. I risparmi ottenuti dovrebbero contribuire ad accelerare ulteriormente l'ingresso sul mercato di un'elettronica di potenza in SiC efficiente.

La tecnologia dei semiconduttori alla soglia dell'era post-silicio

L'elettronica di potenza basata sul semiconduttore a banda larga carburo di silicio (SiC) rappresenta una porta d'accesso fondamentale per applicazioni energeticamente efficienti, sostenibili e ad alte prestazioni nell'ambito della mobilità elettrica – dall'automobile ai veicoli commerciali, fino a treni, navi e aerei, nella generazione, trasporto e stoccaggio di energie rinnovabili, nonché per le infrastrutture IT e industriali. È quindi un elemento chiave e un fattore competitivo nei processi di trasformazione globale attuali nei settori della mobilità, dell'energia e della digitalizzazione. Si stima che il mercato dei componenti di potenza in SiC cresca a un tasso annuo superiore al 30%. Rispetto alla tecnologia tradizionale al silicio, l'uso di elettronica di potenza in SiC in un tipico inverter di azionamento consente di risparmiare più energia di quanto ne sia necessario per la produzione stessa dell'elettronica in SiC.

Mentre i vantaggi tecnologici del SiC sono evidenti grazie alle sue proprietà fisiche, i costi più elevati rispetto al silicio consolidato continuano a rappresentare un ostacolo a una più rapida penetrazione nel mercato. I costi dei chip sono più di tre volte superiori rispetto al silicio. La principale voce di costo è il wafer di SiC di partenza, che rappresenta oltre il 40% dei costi di produzione di un MOSFET (transistor a effetto campo a ossido di metallo in SiC). Inoltre, a causa delle proprietà meccaniche sfavorevoli e dello spessore elevato del wafer di SiC monocristallino, le elettroniche realizzate con esso raggiungono solo circa il 30% della durata termomeccanica rispetto al silicio. Questo svantaggio comporta un aumento di circa il 25% dell'area del chip e di circa il 25% dei costi in applicazione, come negli inverter.

Sottostrati in SiC economici senza segatura e lucidatura

Nel progetto triennale ThinSiCPower (2024-2027), finanziato dal programma interno Fraunhofer «PREPARE», i ricercatori sviluppano un metodo alternativo per la produzione di sottostrati in SiC a basso costo e chip di SiC molto più sottili, con tecnologie di lavorazione più sostenibili. In questo processo, i wafer di SiC di alta qualità e costosi non vengono più segati con perdita di materiale come di consueto e successivamente limati per ridurne lo spessore, ma il cristallo di SiC viene separato tramite una speciale tecnologia laser senza grandi perdite di materiale, producendo wafer più sottili che vengono incollati su un substrato portante economico a base di SiC policristallino. In questo modo si possono ottenere molti più wafer da un singolo cristallo. Inoltre, il cosiddetto Poly-SiC presenta proprietà meccaniche più vantaggiose rispetto al substrato monocristallino, migliorando la resistenza alle sollecitazioni termomeccaniche. La struttura complessiva molto più sottile favorisce anche una migliore dissipazione del calore.

Con ThinSiCPower verso una linea di produzione completa di SiC, made in Germany

I centri Fraunhofer ISE, ENAS e IWM, insieme al Fraunhofer IISB come coordinatore del progetto, uniscono le proprie competenze in ThinSiCPower. Per la produzione del substrato portante in Poly-SiC viene adattata una tecnologia di rivestimento in SiC sviluppata dal Fraunhofer IISB, più economica e sostenibile rispetto alle tecniche di produzione attualmente usate, basate sulla deposizione chimica in fase vapore. La separazione dei wafer sottili di SiC, a basso perdita, avviene tramite un laser che induce una pre-criticità meccanica definita (Fraunhofer ISE) e successivamente la separazione sotto condizioni meccaniche controllate per favorire la propagazione controllata delle crepe (Fraunhofer IWM). Lo sviluppo del processo di bonding dei wafer per il substrato Poly-SiC, con il SiC splittato e le necessarie preparazioni superficiali prima e dopo il bonding, avviene presso il Fraunhofer ENAS, mentre la successiva lavorazione dei dispositivi e la loro qualificazione si svolgono di nuovo presso il Fraunhofer IISB. Per garantire una massima accettazione di mercato di questa nuova classe di substrati in SiC a basso costo, i partner sviluppano anche metodi di test elettrici adattati a wafer sottili e modelli di simulazione «Physics-of-failure». L'obiettivo è di rendere questa tecnologia ampiamente applicabile nei settori rilevanti.

Attraverso lo sviluppo tecnologico per la produzione di wafer sottili in SiC e di substrati in Poly-SiC a basso costo, si punta a ridurre i costi dei componenti in SiC del 25%. Inoltre, si prevede di ridurre ulteriormente i costi di progettazione in SiC del 25% attraverso un aumento del 300% della resistenza alle sollecitazioni termomeccaniche. I mercati target sono i produttori di semiconduttori e moduli di potenza, i fornitori di processi e impianti, fino ai fornitori di apparecchiature di test. Gli istituti partner consolidano le proprie competenze per la creazione di una linea di produzione di SiC completa, altamente innovativa e futura, all’interno della fabbrica di ricerca Mikroelektronik Deutschland (FMD). Il consorzio riceve supporto diretto da partner industriali.

Il progetto ThinSiCPower accelera, grazie alla riduzione dei costi e ai vantaggi concettuali, non solo la penetrazione di mercato del carburo di silicio, ma anche la creazione di una catena del valore tecnologica innovativa, resiliente e industrialmente rilevante in Germania e in Europa.