Cienkie chipy i wytrzymałe podłoża – kluczowe technologie dla efektywnej kosztowo elektroniki mocy z węglika krzemu

Elementy funkcjonalne na waflu z węglika krzemu, wyprodukowane w własnym czystym pomieszczeniu Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB / Urządzenia wysokiego napięcia na waflu z węglika krzemu, przetwarzane w własnym czystym pomieszczeniu Fraunhofer IISB. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Węglik krzemu oferuje istotne przewagi techniczne dla elektroniki mocy – nadal jednak jednym z jego głównych minusów są koszty. W ramach projektu badawczego „ThinSiCPower” konsorcjum instytutów Fraunhofer opracowuje kluczowe technologie, które pozwolą na zmniejszenie zużycia materiału i grubości elementów, jednocześnie zwiększając termomechaniczną stabilność wybudowanych układów SiC. Oszczędności te mają przyczynić się do przyspieszenia wprowadzenia na rynek wydajnej elektroniki mocy z SiC.

Technologia półprzewodnikowa na progu ery post-siliconowej

Elektronika mocy oparta na szerokopasmowym półprzewodniku węgliku krzemu (SiC) jest kluczowym czynnikiem otwierającym drzwi do energooszczędnych, zrównoważonych i wysokowydajnych zastosowań w elektromobilności – od samochodów, przez pojazdy użytkowe, aż po kolej, statki i samoloty, w zakresie produkcji, przesyłu i magazynowania energii odnawialnej, a także dla infrastruktury IT i przemysłowej. Stanowi ona istotny element i czynnik konkurencyjności w obecnych globalnych procesach transformacyjnych w obszarach mobilności, energii i cyfryzacji. Szacuje się, że rynek elementów mocy SiC rośnie rocznym tempem przekraczającym 30 procent. W porównaniu do tradycyjnej technologii krzemowej, zastosowanie elektroniki mocy SiC w typowym inwerterze napędowym pozwala zaoszczędzić energię o rzędu wielkości, która jest większa niż ta potrzebna na produkcję samej elektroniki SiC.

Podczas gdy zalety technologiczne SiC wynikają z jego fizycznych właściwości, wyższe koszty w porównaniu do ugruntowanego krzemu nadal stanowią barierę dla jeszcze szybszego upowszechniania się tej technologii na rynku. Koszty chipów są ponad trzykrotnie wyższe niż w przypadku krzemu. Największym czynnikiem wpływającym na koszty jest wylotowa płytka SiC. W przypadku tranzystorów MOSFET opartych na SiC, stanowią one ponad 40 procent kosztów produkcji. Dodatkowo, ze względu na niekorzystne właściwości mechaniczne materiału i dużą grubość monokryształowej płytki SiC, elektronika wyprodukowana z tego materiału osiąga jedynie około 30 procent żywotności termomechanicznej w porównaniu do krzemu. Ta wada skutkuje zwiększeniem powierzchni układu o około 25 procent i wyższymi kosztami w zastosowaniach, na przykład w inwerterach, o około 25 procent.

Ekonomiczne podłoża SiC bez cięcia i szlifowania

W trzyletnim projekcie ThinSiCPower (2024-2027), finansowanym z wewnętrznego programu Fraunhofer „PREPARE”, naukowcy opracowują alternatywną metodę produkcji tanich podłoży SiC i znacznie cieńszych chipów SiC, korzystając z bardziej zasobooszczędnych technologii procesowania. W odróżnieniu od tradycyjnego cięcia i szlifowania wysokiej jakości, kosztownych wafli SiC, które tracą materiał, a następnie są ponownie szlifowane w procesie produkcji elementów, krystaliczny SiC jest separowany za pomocą specjalnej metody laserowej bez dużej utraty materiału, bezpośrednio w cieńsze wafle, które są łączone z tanim podłożem na bazie polikrystalicznego SiC. Pozwala to na wyprodukowanie znacznie większej liczby wafli z pojedynczego kryształu. Dodatkowo, tzw. Poly-SiC, w porównaniu do monokryształowego podłoża, charakteryzuje się korzystniejszymi właściwościami mechanicznymi, co pozytywnie wpływa na odporność na zmiany obciążenia termomechanicznego. Znacznie cieńsza konstrukcja zapewnia także lepszy odprowadzanie ciepła.

Z ThinSiCPower do pełnej linii technologicznej SiC, wyprodukowanej w Niemczech

Instytuty Fraunhofer ISE, ENAS i IWM oraz Fraunhofer IISB jako koordynator projektu łączą swoje kompetencje w ramach ThinSiCPower. Do produkcji polikrystalicznych podłoży SiC adaptowana jest technologia powlekania SiC opracowana przez Fraunhofer IISB, która jest bardziej ekonomiczna i zasobooszczędna w porównaniu do dotychczas stosowanej metody chemicznego osadzania z fazy gazowej. Bezstratne oddzielanie cienkich wafli SiC odbywa się za pomocą lasera, który wstępnie mechanicznie narusza strukturę (Fraunhofer ISE), a następnie przeprowadza się rozdzielenie pod kontrolą warunków mechanicznych, aby kontrolować rozprzestrzenianie się pęknięć (Fraunhofer IWM). Opracowanie procesu bondowania wafli dla polikrystalicznego SiC, w tym odpowiednie przygotowanie powierzchni przed i po procesie bondowania, realizowane jest w Fraunhofer ENAS, podczas gdy dalsza produkcja elementów i ich kwalifikacja odbywa się ponownie w Fraunhofer IISB. W celu zapewnienia jak najwyższej akceptacji rynkowej tej nowej klasy tanich podłoży SiC, partnerzy opracowują także dostosowane metody testowania elektrycznego na poziomie cienkich wafli oraz modele symulacji „Physics-of-failure”. Celem jest szerokie zastosowanie w kluczowych branżach.

W ramach rozwoju technologii produkcji tanich, cienkich wafli SiC i polikrystalicznych podłoży SiC planuje się redukcję kosztów komponentów SiC o 25 procent. Dodatkowo, zamierza się obniżyć koszty projektowania SiC o kolejne 25 procent poprzez zwiększenie odporności na zmiany obciążenia termomechanicznego o 300 procent. Docelowe rynki to producenci półprzewodników i modułów mocy, ich dostawcy procesów i urządzeń, aż po dostawców sprzętu testowego. Instytuty partnerskie łączą swoje kompetencje, aby zbudować kompletną, wysoko innowacyjną i przyszłościową linię produkcyjną SiC w ramach niemieckiej fabryki mikroelektroniki (FMD). Konsorcjum otrzymuje również bezpośrednie wsparcie od partnerów przemysłowych.

Projekt ThinSiCPower przyspiesza nie tylko penetrację rynku krzemu w wyniku planowanej redukcji kosztów i korzyści koncepcyjnych, ale także służy zapewnieniu innowacyjnego, odpornego i przemysłowo istotnego łańcucha wartości technologii SiC w Niemczech i Europie.