Piikarbidikiekkojen menestyksen salaisuus
Piikarbidikiekkojen menestyksen salaisuus
Lähes kaikki käyttämämme laitteet perustuvat puolijohteisiin. Uusi teknologinen kehitys vaatii piikarbidia (SiC) käytettäväksi monissa vaativissa puolijohdesovelluksissa. Fyysisten ja elektronisten ominaisuuksiensa vuoksi, SiC-pohjaiset laitteet sopivat hyvin korkean lämpötilan ja suuritehoiseen/korkeataajuiseen elektroniikkaan, mahdollistaa edistyksen sähköautoissa, 5G, ja IoT-teknologiat. Vaikka ne tarjoavat monia etuja loppukäyttäjälle, laadukkaiden piikarbidimateriaalien valmistus asettaa kiekkojen valmistajille haasteita.
Puolijohteet parantavat jokapäiväistä elämäämme
Olemme noudattaneet Gordon Mooren lakia sellaisille tasoille, joita ei koskaan voitu kuvitella, ja puolijohteet ovat mullistaneet tapamme työskennellä, kommunikoida, matkustaa, pelata, valjastaa energiaa ja hoitaa sairauksia. Ne eivät ainoastaan mahdollista hyödyllisiä laitteita jokapäiväisessä elämässämme, mutta ne tekevät niistä myös kompakteja, halvempaa, ja tehokkaampi. Otetaan matkapuhelinten kehitys, esimerkiksi: ensimmäiset matkapuhelimet 1980-luvulla olivat erittäin isoja, maksaa melkein saman verran kuin auto, ja kesti vain noin 30 minuuttia lataukseen.
Tänään, älypuhelimemme ovat erittäin älykkäitä mobiililaitteita, jotka ovat lähes yhtä tehokkaita kuin tavalliset tietokoneet ja ovat kaikkien saatavilla. Yllättävän, suurin potentiaali on vielä edessä. Tekniikan kulmakivenä, Piikarbidipohjaiset puolijohteet tuottavat jatkossakin merkittäviä läpimurtoja: muuttaa kokonaisia toimialoja, ilmailu- ja kulutuselektroniikasta energiaan ja lääketieteeseen. Hyvä esimerkki tästä muutoksesta on autoteollisuus.
Sähköajoneuvot ovat kehittyneet ekologisesta markkinaraosta jokapäiväiseksi suosituksi vaihtoehdoksi. Tätä kehitystä tuki tehokkaampi sähköinen voimansiirto, käyttämällä suurempia virtoja ja tehokkaampia piirejä. Tässä piikarbidilla on johtava rooli.
Miksi valita piikarbidi?
Vastaus on yksinkertainen: korkeammilla jännitteillä, lisää voimaa, enemmän tehokkuutta, ja parempi luotettavuus. Ei vain teollisuudessa, mutta myös itse puolijohdemateriaaleissa. Vastaamaan elektronisten laitteiden kasvaviin vaatimuksiin, piikarbidista on tullut edistyneiden puolijohteiden suosikki substraattimateriaali, erityisesti tehoelektroniikkalaitteet.
Se voi lisätä dielektrisen hajoamiskentän voimakkuutta 10 ajat, läpilyöntijännite on 15 ajat, ja lämmönjohtavuus on 3 ajat. Lisäksi, piikarbidi mahdollistaa korkeammat käyttölämpötilat (jopa 400 °C verrattuna piin 150 °C:seen) ja on 2-3 kertaa enemmän virrantiheyttä.
Piikarbidipuolijohteiden suorituskyky korkeassa lämpötilassa, korkea paine ja voima ovat johtaneet kasvavaan kysyntään useilla toimialoilla. Esimerkiksi, datakeskukset käyttävät piikarbidia virtalähteenä, vähentää huomattavasti jäähdytysjärjestelmien tehoa.
Lisäksi, keskeytymätön virtalähde (UPS) järjestelmä takaa vakaan, tasainen teho. Toinen esimerkki ovat 5G-tukiasemat: ne käsittelevät yhä enemmän dataa, mikä lisää tehontarvetta. Piikarbidipuolijohteita käytetään megahertsikytkentöissä ja ne tarjoavat suuremman tehon pienemmällä muotokertoimella.
Piikarbidi mahdollistaa läpimurron sähköautoissa
Etenkin autoteollisuus hyötyy piikarbidin eduista. Valmistajat, kuten Porsche, pystyvät muuttamaan 400 voltin akut 800 voltin akuiksi piikarbidipuolijohteiden paremman hyötysuhteen ansiosta. Tämä johtaa nopeampiin latausaikaan, pienemmät akut ja pidempi toimintasäde. Muut sovellukset, jotka hyötyvät SiC:stä:
⊕ Auton akkulaturi: Muunna ulkoinen AC DC:ksi akun lataamiseksi, mikä voi lisätä tehoa puoleen
⊕ Sisäänrakennettu DC/DC-muunnin: Muunna sisäänrakennetun akun jännite puhtaaksi 12 VDC-väyläksi, jotta se saa virtaa sisäisille laitteille
⊕ Sähköjärjestelmä: invertteri, moottori ja sen mekaaniset lisävarusteet voimansiirrolla. Kytkentähäviöt ovat pienempiä kuin 80% ja koko pienenee 30%. Pienempi akku (kevyempi paino, vähemmän lämpöä) ja pidempi akun käyttöikä
⊕ Off-board DC-pikalaturi: DC-latausasema nopeaan lataukseen
Toimialan haasteet
Kysynnän odotetaan kasvavan merkittävästi seuraavien viiden vuoden aikana, alan suurin haaste ei ole vain vaadittujen kiekkojen absoluuttinen määrä, mutta myös muuttuvat kiekkojen tekniset tiedot. Tiukemmat toleranssit ja spesifikaatiot ohjaavat nykyisiä ja tulevia valmistusmenetelmiä. Innovaatiot ovat ratkaisevan tärkeitä näiden haasteiden voittamiseksi. Ennakoiva lähestymistapa valmistusteknologian muutosten ennakointiin edellyttää syviä suhteita prosessiinsinöörien ja R&D perustuu luottamukseen ja asiantuntemukseen kehittää seuraavan sukupolven tuotteita.
Piikarbidisubstraattien valmistajat ovat motivoituneita parantamaan prosessin tehokkuutta ja alentamaan kiekkojen tuotantokustannuksia, kun markkinat kamppailevat hintapariteetin saavuttamiseksi teholaitteiden ja piipohjaisten laitteiden välillä.. Lisäksi, valtava kysynnän kasvu (nopeutettu massatuotanto, uusia tiloja, jne.) ja globaalit toimitusketjun rajoitukset piikarbidipohjaisten sovellusten kasvavan kysynnän vuoksi edellyttävät innovaatioita valmistusprosesseissa.
