John Palmour, CTO da Cree, sentou-se com Semiconductor Engineering para falar sobre o carboneto de silício, como ele se compara ao silício, o que é diferente do ponto de vista do design e da embalagem, e onde ele está sendo usado. O que segue são trechos dessa conversa.
SE: O SiC é bem entendido em eletrônica de potência e RF, mas é a principal vantagem a capacidade de operar dispositivos mais quentes que o silício, ou é para economizar energia?
Palmour: O objectivo é poupar energia e reduzir os custos do sistema. O carboneto de silício poupa o dinheiro dos OEM?
SE: Mesmo à frente?
Palmour: Sim. Por exemplo, se você disser, ‘Ok, eu posso colocar carboneto de silício, que é mais caro que um IGBT, mas eu posso economizar três vezes mais no custo da bateria, é isso que eles fazem’. Mais frequentemente do que não ser usado para custo inicial.
SE: Mas isso não é necessariamente uma poupança de um para um no material. É mais sobre o custo do sistema, certo?
Palmour: Sim, absolutamente. O carboneto de silício é mais caro do que os IGBTs de silício, e os lugares onde obtemos nossos ganhos é onde eles percebem a economia no nível do sistema. É quase sempre um sistema de venda.
SE: Isso atrasou a adoção do SiC?
Palmour: Tem de se encontrar as aplicações onde se poupa dinheiro ao nível do sistema. Mas ao fazer isso e começar a enviar o volume, o preço desce e você começa a abrir outras aplicações. No passado, o fator limitante era o custo inicial, mas as pessoas estão começando a olhar muito mais para os custos do sistema e elas percebem que o custo inicial a partir dessa perspectiva é melhor com carboneto de silício.
SE: Que tal disponibilidade de SiC versus silício?
Palmour: Se você é um OEM automotivo, você se preocupa com a capacidade, porque o impacto destes projetos automotivos será para impulsionar o mercado a se tornar muito maior do que é hoje. A garantia de fornecimento é uma preocupação. É por isso que Cree anunciou numerosos acordos de fornecimento de wafers com outras empresas que fabricam dispositivos de carboneto de silício. Nós fizemos um anúncio com a Delphi, onde vendemos chips para a Delphi e eles vendem um inversor para um OEM europeu. Essas coisas estão sendo analisadas, e você tem que fechar o fornecimento. Nestes acordos de compra a longo prazo, temos de saber que a procura estará lá antes de investirmos muito capital para a capacidade. Anunciamos no ano passado que estamos adicionando US$ 1 bilhão de CapEx para aumentar muito nossa capacidade para atender a essa necessidade. É necessário, e é apenas um começo. Se você executar os números sobre a penetração de veículos elétricos a bateria no mercado global de veículos, isto é apenas um começo.
SE: Isto é tudo 200mm, ou é tecnologia mais antiga?
Palmour: A maior parte da produção de hoje está em bolachas de 150mm de 6 polegadas. Ainda há algumas em wafers de 4 polegadas. Estamos construindo uma nova fábrica em Nova York que terá 200mm de capacidade, mas não estamos fazendo 200mm hoje e não estamos esperando estar prontos para isso por vários anos. Quando as 8 polegadas estiverem prontas, podemos ligá-las. O equipamento vai ser todo de 200mm para que possamos movê-lo rapidamente para as 8 polegadas quando chegar a hora certa. Hoje não há 8 polegadas na produção.
SE: O processo é radicalmente diferente da fabricação de chips de silício? Ele utiliza as mesmas ferramentas que você usaria normalmente?
Palmour: Se você está falando de crescimento de materiais, é diferente. O crescimento de cristais é radicalmente diferente. Wafering, polimento, epitaxia são todos bastante diferentes. Mas uma vez que você entra no fabuloso, é um equipamento bastante padrão, com exceção de dois ou três processos, que são fortemente adaptados ao carboneto de silício. Os processos de fabricação fundamentais são muito parecidos com silício, e a maior parte do equipamento de sala limpa é equipamento de silício típico.
SE: Que tal no lado de teste e inspeção?
Palmour: Estes são bastante semelhantes ao silício.
SE: Como o SiC é executado a temperaturas mais elevadas, a defectividade é mais um problema?
Palmour: A razão pela qual o silício não pode ir a temperaturas muito altas é porque intrinsecamente começa a ser conduzido. Ele realmente deixa de ser um semicondutor em torno de 175°C, e por 200°C ele se torna um condutor. Para o carboneto de silício essa temperatura é muito mais alta – cerca de 1.000°C – então ele pode operar a temperaturas muito mais altas. Mas não estamos visando temperaturas muito mais altas do que o silício por causa da embalagem. Quanto maior for a temperatura a que classifica a sua embalagem, maior será o delta T entre a temperatura baixa e alta e mais rapidamente a sua embalagem poderá degradar-se. Não vamos para uma temperatura radicalmente mais alta. E na verdade, porque somos eficientes, na verdade não ficamos tão quentes por centímetro quadrado. Nossos chips normalmente estão indo para cerca de 175°C, que não é muito mais alto que o silicone.
SE: Isso coloca o SiC na categoria ASIL D para aplicações automotivas ou industriais, certo?
Palmour: Sim, absolutamente.
SE: O que é diferente a nível físico?
Palmour: O silício tem uma banda de 1.1 electrões-volts, e essa é basicamente a definição de quanta energia é necessária para arrancar um electrão da ligação entre dois átomos de silício. Assim, é necessário 1,1 electrões-volts para arrancar um electrão dessa ligação. O carboneto de silício como intervalo de banda de 3,2 electrões-volts, e por isso é necessária 3 vezes mais energia. Mas na verdade é uma função exponencial. Muitas das características da banda de semicondutores estão de facto no expoente. Temos um bandgap três vezes maior, mas quando se trata de avaria eléctrica temos na verdade um campo de avaria eléctrica 10 vezes maior.
SE: O que significa isso em termos de aplicações no mundo real?
Palmour: Significa que se você fizer exatamente a mesma estrutura em silício e carboneto de silício – a mesma espessura de epinefrina, o mesmo nível de doping – a versão em carboneto de silício bloqueará 10 vezes mais tensão do que a versão em silício. Você pode fazer um MOSFET em silício e você pode fazer um MOSFET em carboneto de silício. Os MOSFETs em silício são muito comuns na região de baixa tensão, desde 10 volts até cerca de 300 volts. Acima de 300 volts, a resistência de um MOSFET de silício fica muito alta e torna o MOSFET pouco atrativo. É muito caro. Então o que eles fazem é mudar para um dispositivo bipolar. Um MOSFET é um dispositivo unipolar, o que significa que não há portadores minoritários. Só há electrões a fluir no dispositivo. E quando é um dispositivo unipolar, ele pode mudar muito, muito rápido. Se você olhar para um MOSFET de 60 volts, ele muda muito, muito rápido, e é por isso que você pode fazer processadores gigahertz em silicone. Eles são MOSFETs de muito baixa voltagem – talvez 5 volts. Mas quando você sobe mais alto em voltagem você tem que ir para um dispositivo bipolar, o que significa que tanto os elétrons quanto os orifícios de elétrons estão fluindo no dispositivo ao mesmo tempo. E cada vez que você troca, você tem que dissipar todos aqueles elétrons e furos que recombinam e geram energia. O dispositivo bipolar oferece uma resistência muito menor e um chip muito menor e mais acessível, mas você tem que dissipar esse excesso de calor toda vez que você trocar. Essa é a troca que você está fazendo. Você pode fazer uma troca de energia acessível, mas não é muito eficiente.
Fig. 1: SiC MOSFET. Fonte: Cree
SE: Que tal com SiC?
Palmour: O carboneto de silício tem um campo de decomposição 10 vezes maior. Nosso MOSFET de 600 volts vai ser tão rápido quanto um MOSFET de silício de 60 volts. A outra maneira de olhar para ele é se você disser que 600 volts é a voltagem na qual você muda de MOSFETs e silício para IGBTs, nós estaríamos a 10 vezes mais alta voltagem. Assim, você usaria um MOSFET em carboneto de silício até 6.000 volts antes de ter que mudar para um IGBT. O elevado campo de avaria eléctrica que obtemos deste largo intervalo permite-nos usar o tipo de dispositivo que você quer usar em silício, mas não pode porque é demasiado resistivo para o tornar prático. Então você pode fazer o dispositivo em carboneto de silício que você realmente queria em silício, mas devido à física do silício não é prático nessa faixa de voltagem.
SE: O carboneto de silício envelhece da mesma forma que o silício devido à voltagem mais alta?
Palmour: É a mesma coisa. A voltagem não importa. É o campo elétrico, que é o mesmo independentemente da voltagem. O carboneto de silício é muito resistente e não envelhece de forma diferente de qualquer outro semicondutor.
SE: Haverá economias de escala à medida que o SiC for sendo usado em mais lugares?
Palmour: Sim. Será um pouco mais assintótico que a Lei de Moore por causa das considerações térmicas, mas estamos definitivamente no início da curva de custo-baixo. De 2017 a 2024, esperamos um aumento de volume de 30X. Isso terá um impacto.
SE: Qualquer restrição que possa perturbar esse aumento de volume?
Palmour: Carboneto de silício é areia e carvão. O silício e o carbono são dois dos elementos mais abundantes na Terra. Não é como o fosforeto de índio ou háfnio. Eu me preocupo mais se os veículos elétricos a bateria podem obter lítio suficiente, e se há terras raras suficientes para fazer os motores de ímã permanente. Nós podemos fazer os semicondutores.
SE: Agora estamos vendo muito mais atenção focada em múltiplos chips em um pacote. Como o SiC se comporta nesses tipos de pacotes? Estaria necessariamente no mesmo pacote?
Palmour: Em termos de dispositivos de energia de carboneto de silício, temos três linhas de produtos. Uma é a dos dispositivos de potência discretos. Então é um único MOSFET em um TO-247, ou um diodo em um pacote TO-220 – apenas um típico pacote discreto padrão. E depois vendemos chips a outras empresas que vão fazer o seu próprio pacote, mas de um modo geral são fabricantes de módulos. E então nós temos nossos próprios módulos. Um módulo inclui vários chips de carboneto de silício MOSFET em paralelo, para obter mais potência, em um circuito muito simples. Nos casos mais comuns, são outros chips idênticos de carboneto de silício nesse módulo de potência. Digamos que você tem um chip de 100 amperes, mas você precisa de um módulo de energia e uma configuração de ponte-H que lhe dê 600 amperes. Então você colocaria seis dispositivos de 100amp num lado, seis dispositivos de 100amp no outro para lhe dar aquela ponte H, e então talvez alguns capacitores ou algumas resistências. Isso está no mercado hoje em dia. O grande problema – e no que nós fazemos muito trabalho e no que muitos dos caras que trabalham no setor automotivo estão trabalhando – é que se você jogasse nossos chips em um pacote padrão de módulos de energia de silício, você estaria recebendo apenas cerca da metade do desempenho que os chips poderiam lhe dar por causa das indutâncias embutidas. Eu equivaleria a deixar cair um motor Ferrari num chassis de bug VW.
SE: Isso soa como um mismatch.
Palmour: O que nós e outros estamos trabalhando é em como otimizar esse módulo para tirar o máximo proveito do carboneto de silício. Nós temos que construir um chassis Ferrari para esse motor, e é isso que está sendo trabalhado nos módulos de potência. Quanto a se trabalharia com outros chips em um pacote, a resposta é sim. Tipicamente hoje, os pilotos e outros chips que compõem este módulo de potência estão em uma placa. Normalmente está numa placa separada colocada mesmo ao lado desse módulo, mas pode estar no mesmo módulo. É chamado de módulo de energia inteligente. Mas você definitivamente pode fazer o mesmo em carboneto de silício.
SE: Que tal coisas como ruído e deriva, que são problemas crescentes em muitos projetos? É diferente com SiC?
Palmour: Há duas partes para essa pergunta. Em termos de estabilidade dos óxidos, há alguma deriva no carboneto de silício. Nós gastamos muito tempo trabalhando para que isso seja minimizado. Não é um problema uma vez que você consiga acertar. É, na verdade, a maior parte do tempo de operação. Basicamente, vai mudar nas primeiras 10 ou 20 horas, e depois vai estabilizar. E se você desligar tudo, isso acontecerá novamente, então a solução é fazer com que isso seja o mínimo possível. Em termos de ruído, não somos tão susceptíveis ao ruído como os outros chips. Mas como o carboneto de silício pode ser operado a frequências tão altas, e pode comutar a dv/dt e di/dt realmente altos, nós realmente criamos ruído. Você tem que fazer seu projeto de circuito com muito cuidado para minimizar quanto ruído você gera.
SE: A blindagem ajuda?
Palmour: Na verdade não é blindagem tanto quanto está a fazer bem o seu design. Em silicone, você poderia colocar o motorista a um pé de distância e canalizar um cabo e não é nada demais. Em carboneto de silício, você teria tanta indutância que soaria como um banshee. Você tem que colocar o motorista muito perto do módulo para minimizar esse zumbido indutivo e reduzir o ruído. Você precisa manter essas indutâncias no mínimo.
SE: Então isto se dirige ao grande problema com que os designers de RF estão lidando hoje, certo?
Palmour: Certo, e nós fazemos tanto RF como energia. Quando você usa carboneto de silício, isso está te empurrando mais para o domínio da RF do que muitas pessoas no poder estão acostumadas a pensar. A RF é um mundo diferente. Capacitores tornam-se resistências, resistências tornam-se capacitores, e tudo vira de cabeça para baixo.
SE: Mas o SiC tem sido usado extensivamente no mundo de RF, certo?
Palmour: Sim, e o SiC é a outra parte do nosso negócio. Lá nós usamos SiC como substrato. Nós costumávamos vender SiC MESFETs (metal-semicondutor FETs) para dispositivos de RF. Para Gan RF, 99% dos dispositivos de Gan RF são feitos em um substrato de carboneto de silício.
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