John Palmour, CTO di Cree, si è seduto con Semiconductor Engineering per parlare del carburo di silicio, come si confronta con il silicio, cosa è diverso dal punto di vista del design e del packaging, e dove viene utilizzato. Quelli che seguono sono estratti di quella conversazione.
SE: SiC è ben conosciuto nell’elettronica di potenza e nella RF, ma il vantaggio principale è la capacità di far funzionare i dispositivi più caldi del silicio, o è quello di risparmiare energia?
Palmour: L’obiettivo è risparmiare energia e ridurre i costi del sistema. Il carburo di silicio fa risparmiare soldi agli OEM.
SE: Proprio in anticipo?
Palmour: Sì. Per esempio, se si dice, ‘Ok, posso mettere il carburo di silicio, che è più costoso di un IGBT ma posso risparmiare tre volte tanto sul costo della batteria, questo è quello che fanno’. Il più delle volte vengono usati per i costi iniziali.
SE: Ma non è necessariamente un risparmio uno a uno sul materiale. È più sul costo del sistema, giusto?
Palmour: Sì, assolutamente. Il carburo di silicio è più costoso degli IGBT al silicio, e i posti dove otteniamo le nostre vittorie è dove realizzano il risparmio a livello di sistema. È quasi sempre un sistema da vendere.
SE: Questo ha rallentato l’adozione del SiC?
Palmour: Bisogna trovare le applicazioni dove si risparmia denaro a livello di sistema. Ma quando lo si fa e si iniziano a spedire volumi, il prezzo scende e si iniziano ad aprire altre applicazioni. In passato, il fattore limitante era il costo iniziale, ma le persone stanno iniziando a guardare molto di più ai costi di sistema e si rendono conto che il costo iniziale da quel punto di vista è migliore con il carburo di silicio.
SE: Che mi dici della disponibilità di SiC rispetto al silicio?
Palmour: Se sei un OEM del settore automobilistico, ti preoccupi della capacità perché l’impatto di questi progetti automobilistici sarà quello di portare il mercato a diventare molto più grande di quanto non sia oggi. La garanzia di fornitura è una preoccupazione. Ecco perché Cree ha annunciato numerosi accordi di fornitura di wafer con altre aziende che producono dispositivi in carburo di silicio. Abbiamo fatto un annuncio con Delphi, dove vendiamo chip a Delphi e loro vendono un inverter a un OEM europeo. Queste cose vengono esaminate, e bisogna bloccare la fornitura. Su questi accordi di acquisto a lungo termine, dobbiamo sapere che la domanda ci sarà prima di investire molto capitale per la capacità. Abbiamo annunciato l’anno scorso che stiamo aggiungendo 1 miliardo di dollari di CapEx per aumentare notevolmente la nostra capacità di soddisfare questo bisogno. È necessario, ed è solo un inizio. Se si eseguono i numeri sulla penetrazione dei veicoli elettrici a batteria nel mercato complessivo dei veicoli, questo è solo l’inizio.
SE: Sono tutti 200 mm o si tratta di tecnologia più vecchia? La maggior parte di tutta la produzione oggi è su wafer da 150 mm e 6 pollici. Ce n’è ancora un po’ su 4 pollici. Stiamo costruendo una nuova fabbrica a New York che sarà in grado di produrre wafer da 200 mm, ma non stiamo facendo nessun 200 mm oggi e non ci aspettiamo di essere pronti per diversi anni. Quando gli 8 pollici saranno pronti, potremo accenderli. L’attrezzatura sarà tutta da 200 mm in modo da poter passare rapidamente agli 8 pollici quando sarà il momento giusto. Non c’è nessun 8 pollici in produzione oggi.
SE: Il processo è radicalmente diverso dalla produzione di chip di silicio? Utilizza gli stessi strumenti che si usano normalmente?
Palmour: Se si parla di crescita dei materiali, è diverso. La crescita dei cristalli è radicalmente diversa. Wafering, lucidatura, epitassia sono tutti abbastanza diversi. Ma una volta che si entra nella fabbrica, si tratta di attrezzature abbastanza standard con l’eccezione di due o tre processi, che sono fortemente adattati al carburo di silicio. I processi fondamentali sono molto simili al silicio, e la maggior parte dell’attrezzatura della camera bianca è tipica del silicio.
SE: E per quanto riguarda il test e l’ispezione?
Palmour: Quelli sono abbastanza simili al silicio.
SE: Poiché il SiC viene fatto funzionare a temperature più alte, la difettosità è più di un problema?
Palmour: Il motivo per cui il silicio non può andare a temperature molto alte è perché intrinsecamente inizia a condurre. Smette davvero di essere un semiconduttore intorno ai 175°C, e a 200°C diventa un conduttore. Per il carburo di silicio quella temperatura è molto più alta – circa 1.000°C – quindi può funzionare a temperature molto più alte. Ma non stiamo puntando a temperature molto più alte del silicio a causa del packaging. Più alta è la temperatura a cui si valuta il pacchetto, più grande è il delta T tra la bassa e l’alta temperatura e più velocemente il pacchetto può degradarsi. Non stiamo andando a temperature radicalmente più alte. E infatti, poiché siamo efficienti, in realtà non ci scaldiamo così tanto su una base per centimetro quadrato. I nostri chip vanno tipicamente a circa 175°C, che non è molto più alto del silicio.
SE: Questo mette SiC nella categoria ASIL D per applicazioni automobilistiche o industriali, giusto?
Palmour: Sì, assolutamente.
SE: Cosa c’è di diverso a livello fisico?
Palmour: Il silicio ha un bandgap di 1,1 elettronvolt, e questa è fondamentalmente la definizione di quanta energia ci vuole per strappare un elettrone dal legame tra due atomi di silicio. Quindi ci vogliono 1,1 elettronvolt per strappare un elettrone da quel legame. Il carburo di silicio ha un band gap di 3,2 elettronvolt, e quindi ci vuole 3 volte più energia. Ma in realtà è una funzione esponenziale. Molte delle caratteristiche del bandgap dei semiconduttori sono in realtà nell’esponente. Abbiamo un bandgap tre volte più ampio, ma quando si tratta di ripartizione elettrica abbiamo in realtà un campo di ripartizione elettrica 10 volte superiore.
SE: Cosa significa questo in termini di applicazioni nel mondo reale?
Palmour: Significa che se fai la stessa identica struttura in silicio e carburo di silicio – lo stesso spessore epi, lo stesso livello di drogaggio – la versione in carburo di silicio bloccherà 10 volte più tensione della versione in silicio. Si può fare un MOSFET in silicio e si può fare un MOSFET in carburo di silicio. I MOSFET in silicio sono molto comuni nella regione a bassa tensione, da 10 volt fino a circa 300 volt. Sopra i 300 volt, la resistenza di un MOSFET in silicio diventa molto molto alta e rende il MOSFET poco attraente. È troppo costoso. Quindi quello che fanno è passare a un dispositivo bipolare. Un MOSFET è un dispositivo unipolare, cioè non ci sono portatori di minoranza. Ci sono solo elettroni che scorrono nel dispositivo. E quando è un dispositivo unipolare, può commutare molto, molto velocemente. Se guardate un MOSFET da 60 volt, commuta molto velocemente, ed è per questo che si possono fare processori da gigahertz nel silicio. Sono MOSFET a tensione molto bassa – forse 5 volt. Ma quando si sale di tensione si deve passare a un dispositivo bipolare, il che significa che sia gli elettroni che i buchi di elettroni scorrono nel dispositivo allo stesso tempo. E ogni volta che si commuta, bisogna dissipare tutti questi elettroni e buchi che si ricombinano e generano energia. Il dispositivo bipolare offre una resistenza molto più bassa e un chip molto più piccolo ed economico, ma bisogna dissipare il calore in eccesso ogni volta che si commuta. Questo è il compromesso che stai facendo. Puoi fare un interruttore di potenza economico, ma non è molto efficiente.
Fig. 1: MOSFET SiC. Fonte: Cree
SE: E con il SiC?
Palmour: Il carburo di silicio ha un campo di ripartizione 10 volte superiore. Il nostro MOSFET da 600 volt sarà veloce come un MOSFET al silicio da 60 volt. L’altro modo di vederla è se si dice che 600 volt è la tensione alla quale si passa dai MOSFET e dal silicio agli IGBT, saremmo a una tensione 10 volte superiore. Quindi si potrebbe usare un MOSFET in carburo di silicio fino a 6.000 volt prima di dover passare a un IGBT. L’alto campo di rottura elettrica che otteniamo da questo ampio bandgap ci permette di usare il tipo di dispositivo che si vorrebbe usare nel silicio, ma non si può perché è troppo resistivo per renderlo pratico. Così si può fare il dispositivo in carburo di silicio che si voleva veramente nel silicio, ma a causa della fisica del silicio non è pratico in quella gamma di tensione.
SE: Il carburo di silicio invecchia allo stesso modo del silicio a causa della tensione più alta?
Palmour: È lo stesso. Il voltaggio non ha importanza. È il campo elettrico, che è lo stesso indipendentemente dal voltaggio. Il carburo di silicio è molto robusto, e non invecchia diversamente da qualsiasi altro semiconduttore.
SE: Ci saranno economie di scala quando il SiC sarà usato in più posti?
Palmour: Sì. Sarà un po’ più asintotico della Legge di Moore a causa delle considerazioni termiche, ma siamo sicuramente all’inizio della curva di riduzione dei costi. Dal 2017 al 2024, ci aspettiamo che il volume aumenti di 30 volte. Questo avrà un impatto.
SE: Qualche vincolo che potrebbe interrompere questo aumento di volume?
Palmour: Il carburo di silicio è sabbia e carbone. Il silicio e il carbonio sono due degli elementi più abbondanti sulla terra. Non è come il fosfuro di indio o l’afnio. Mi preoccupa di più se i veicoli elettrici a batteria possono ottenere abbastanza litio, e se ci sono abbastanza terre rare per fare i motori a magnete permanente. Possiamo fare i semiconduttori.
SE: Ora vediamo molta più attenzione concentrata su più chip in un pacchetto. Come si comporta il SiC in questi tipi di pacchetti? Sarebbe necessariamente nello stesso pacchetto?
Palmour: In termini di dispositivi di potenza in carburo di silicio, abbiamo tre linee di prodotti. Una è quella dei dispositivi di potenza discreti. Quindi è un singolo MOSFET in un TO-247, o un diodo in un pacchetto TO-220 – solo un tipico pacchetto discreto standard. E poi vendiamo chip ad altre aziende che fanno i loro propri pacchetti, ma per lo più si tratta di produttori di moduli. E poi abbiamo i nostri moduli. Un modulo comprende più chip MOSFET in carburo di silicio in parallelo, per ottenere più potenza, in un circuito molto semplice. Nei casi più comuni, sono altri chip identici in carburo di silicio in quel modulo di potenza. Diciamo che avete un chip da 100 ampere, ma avete bisogno di un modulo di potenza e di una configurazione H-bridge che vi dia 600 ampere. Quindi metteresti sei dispositivi da 100 ampere su un lato, sei dispositivi da 100 ampere sull’altro per darti quel ponte ad H, e poi forse qualche condensatore o qualche resistenza. Questo c’è oggi sul mercato. Il grande problema – e quello su cui lavoriamo molto e su cui stanno lavorando molti dei ragazzi che lavorano nel settore automobilistico – è che se tu dovessi mettere i nostri chip in un pacchetto standard di moduli di potenza in silicio, otterresti solo circa la metà delle prestazioni che i chip potrebbero darti a causa delle induttanze integrate. Lo equiparerei a far cadere un motore Ferrari in un telaio VW bug.
SE: Questo suona come un mismatch.
Palmour: Quello su cui noi e altri stiamo lavorando è come ottimizzare quel modulo per trarre pieno vantaggio dal carburo di silicio. Dobbiamo costruire un telaio Ferrari per quel motore, ed è su questo che si sta lavorando nei moduli di potenza. Per quanto riguarda il fatto che possa funzionare con altri chip in un pacchetto, la risposta è sì. In genere oggi, i driver e gli altri chip che compongono questo modulo di potenza sono su una scheda. Di solito è su una scheda separata posta proprio accanto a quel modulo, ma potrebbe essere nello stesso modulo. Si chiama modulo di alimentazione intelligente. Ma si può sicuramente fare lo stesso nel carburo di silicio.
SE: E per quanto riguarda cose come il rumore e la deriva, che sono problemi crescenti in molti progetti? È diverso con il SiC?
Palmour: Ci sono due parti in questa domanda. In termini di stabilità degli ossidi, c’è una certa deriva nel carburo di silicio. Passiamo molto tempo a lavorare su questo per minimizzarlo. Non è un problema una volta che lo si ottiene bene. È soprattutto il tempo di funzionamento. Fondamentalmente si sposterà nelle prime 10 o 20 ore, e poi si stabilizzerà. E se si spegne tutto accadrebbe di nuovo, quindi la soluzione è di rendere questo il minimo possibile. In termini di rumore, non siamo così suscettibili al rumore come altri chip. Ma poiché il carburo di silicio può funzionare a frequenze così alte, e può commutare a dv/dt e di/dt molto alti, in realtà creiamo rumore. Devi progettare il tuo circuito con molta attenzione per ridurre al minimo il rumore che generi.
SE: La schermatura aiuta?
Palmour: In realtà non si tratta di schermare quanto di fare bene il tuo progetto. Nel silicio, si potrebbe mettere il driver ad un metro di distanza e collegare un cavo e non è un grosso problema. Nel carburo di silicio avresti così tanta induttanza che suonerebbe come una banshee. Dovete mettere l’altoparlante molto vicino al modulo per minimizzare quel suono induttivo e ridurre il rumore. È necessario mantenere queste induttanze al minimo.
SE: Quindi questo è il grande problema che i progettisti RF stanno affrontando oggi, giusto?
Palmour: Giusto, e noi facciamo sia RF che potenza. Quando usi il carburo di silicio, ti spinge più verso l’ambito RF che molte persone di potenza sono abituate a pensare. RF è un mondo diverso. I condensatori diventano resistenze, le resistenze diventano condensatori, e tutto si capovolge.
SE: Ma il SiC è stato ampiamente utilizzato nel mondo RF, giusto?
Palmour: Sì, e RF è l’altra parte del nostro business. Lì usiamo SiC come substrato. Vendevamo SiC MESFET (FET a semiconduttore metallico) per dispositivi RF. Per Gan RF, il 99% dei dispositivi Gan RF là fuori sono fatti su un substrato di carburo di silicio.
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