Ljus framtid för kraftkomponenter i SiC

Komponenter i kiselkarbid är fortfarande dyra med ett europeiskt projekt skall minska kostnaderna genom att växa SiC på kisel. Kina är den största marknaden för kraftelektronik och här har också den svenska SiC-specialisten Ascatron etablerat ett dotterbolag.

© Ascatron

Kisel har dominerat elektronikmarknaden i årtionden och har befäst sin position genom ständiga förbättringar av tillverkningsprocesser och komponentarkitekturer med mera. För kraftelektronik är kisel dock inget idealt material. Istället är det komponenter som baseras på material med brett bandgap såsom galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) som tilldragit sig ett allt större intresse. Det tack vare bättre inneboende materialegenskaper som ger lägre energiförluster, högre drifttemperaturer, högre omkopplingshastigheter och fördelar vid höga spänningar jämfört med kisel. Tillämpningarna hittas bland annat inom fordonsbranschen, industri och kraftförsörjning där det finns en stor framtida potential för tillväxt. Generellt dominerar kraftelektronik i kisel fortfarande stort men enligt marknadsundersökningsföretaget IHS prognos från i fjol kommer omsättningen för komponenter i SiC och GaN tillsammans att passera 1 miljard dollar om 4 år, och den globala försäljningen av dessa komponenter kommer att öka från 210 miljoner dollar 2015 till 3,7 miljarder dollar 2025. Schottky-dioder i kiselkarbid har funnits att tillgå i över 10 år medan komponentkategorier såsom mosfet, jfet och bjt i SiC kommit ut på marknaden först på senare år. Nyligen lanserades också mosfetar i SiC med märkspänningar på över 1 700 V. För höga spänningar dominerar kisel igbt:er men här kommer SiC att kunna konkurrera med överlägsna materialegenskaper vid omkopplingsfrekvenser över 2 kHz. Idag står komponenter i GaN endast för 0,15 procent och SiC för knappt 1,6 procent av världsmarknaden för samtliga krafthalvledare. De tre stora spelarna på SiC-marknaden är Wolfspeed, som brutits ut men ägs av Cree, Infineon och Rohm med runt en fjärdedel vardera. Nytt europeiskt SiC-projekt Dagens SiC-komponenter är ofta konstruerade i hexagonal kiselkarbid (4H-SiC) men nu har ett nytt EU-finansierat fyraårigt projekt döpt till Challenge sjösatts. Syftet är att växa kubisk kiselkarbid (3C-SiC) på kiselsubstrat utan att det uppstår en mängd defekter i gränsytan mellan de två materialen. Svenskt deltagande i projektet kommer från Linköpings universitet (LiU) och SiC-specialisten Ascatron AB. Kiselkomponenter passar bäst för spänningar under 100 V och komponenter i 4H-SiC finns idag på marknaden för spänningar på 600 V och däröver men tekniken är mycket dyrare och har därmed problem med att konkurrera med kisel vid lägre spänningar. Enligt LiU är det här som kubisk kiselkarbid (3C-SiC) passar in. 3C-SiC är enligt LiU nämligen som mest effektivt vid spänningar mellan 600 till 1 200 V. Materialet är dessutom kostnadseffektivt att tillverka, kan produceras i stora wafers och ger liten miljöpåverkan. Kan man dessutom använda kisel som substrat kan kostnaderna sänkas väsentligt. – Vi har efter många års forskning hittat en metod att ta fram kubisk kiselkarbid med få defekter och vårt material ska användas som referens. I projektet för kraftelektronik behöver kiselkarbiden kunna växas på exempelvis kisel, men vi tror att utvecklingen kan driva fram andra nischer där vår materialkvalitet har en fördel, säger docent Mikael Syväjärvi vid Linköpings universitet och deltagare i projektet. Hittills har det uppstått defekter i gränssnittet mellan den kubiska kiseselkarbiden och kislet. När väl forskarna fått bukt det här kvalitetsproblemet hoppas man kunna få fram ett fungerande material som kan användas för nya kraftkomponenter som kan bidra till att elbilsmotorer blir effektivare och ger mindre värmeförluster. Andra tänkbara tillämpningar är luftkonditioneringssystem och frysar. Ascatron satsar på komponenter i SiC Kistaföretaget Ascatron är det enda nordiska företaget som deltar i Challenge och kommer främst att utvärdera resultaten från projektet, men för företaget är tekniken är inte aktuell att användas i produkter förrän om tidigast 5 år.

Christian Vieider Foto: © Jonas Karlsson

Ascatron grundades 2011 som en avknoppning från forskningsinstitutet Acreo och 2012 var fyra personer verksamma i företaget, men nu har bolaget vuxit till att ha tolv personer anställda. Från början var bolaget inriktat på att skapa epitaxistrukturer i SiC men har allt mer tagit ett steg upp i näringskedjan och utvecklar numera komponenter i 4H-SiC, främst för riktigt höga märkspänningar på 3,3 kV och däröver. Ascatron säger sig även fått positiv respons på mer lågspända komponenter från olika kunder (1200 V) och tittar nu även på möjligheterna här eftersom volymerna är större här. I slutet av förra året avslutade företaget också en finansieringsrunda som startades 2015 på cirka 4 miljoner euro där hälften av pengarna går till en epitaxireaktor och andra hälften till utveckling av komponenter. Sett till världsmarknaden för kraftelektronik är Kina absolut störst. De står för nästan 40 procent av världsmarknaden, vilket kan jämföras med Americas som har en marknadsandel på endast 8 procent. – Kina är vår absolut största marknad och vi har även startat ett dotterbolag där, säger Ascatrons vd Christian Vieider till Evertiq. De SiC-wafers som Ascatron använder för att växa sina strukturer på finns idag som 6-tumsskivor och det är relativt nyligen som dessa kom ut på marknaden. Förr fanns det stora problem med hål som gick rakt igenom materialet men kvaliteten förbättras kontinuerligt. Dock är priset ett hinder. – Inköpspriset för en 6-tumsskiva i SiC ligger idag på drygt 10 000 kronor, vilket kan jämföras med en kiselskiva som kostar runt 100 kronor. Kvaliteten på kiselkarbidskivorna förbättras ständigt och det går idag att ta fram relativt stora chip som mäter 5 x 5 mm med ett hyfsat bra utbyte (yield) på över 80 procent. Det är först nu som kvaliteten på materialet är så pass god att det går att tillverka komponenter i den storleksordningen. Skillnaden med projektet Challenge är att de istället kommer att använda en kiselskiva som substrat vilket kommer göra komponenterna billigare, säger Christian Vieider.

En SiC 1700 V JBS-diod från © Ascatron

Ett annat material med brett bandgap är galliumnitrid (GaN) men Ascatron har inga planer på att börja jobba i det här materialet. Teoretiskt kan GaN hantera lika stora spänningar som SiC eller till och med högre men i praktiken verkar GaN idag ha sina fördelar för spänningar upp till 600 V. – En orsak till det är att när vi konstruerar våra komponenter i SiC går strömmen genom materialet från ovansidan till baksidan vilket gör att vi kan hantera spänningar på över 10 kV inuti materialet. I GaN-komponenter är elektroderna placerade på samma sida av materialet och därmed kan man inte få lika stort avstånd mellan elektroderna, något som innebär större risk för överslag. En stor fördel med att använda kraftkomponenter i SiC är de låga energiförlusterna. – I ett projekt tillsammans med en kund i södra sverige tittar vi på möjligheten att byta ut 10 stycken 1 kV kiseldioder mot en enda 10 kV SiC PiN-diod i en utrustning för rökgasrening till kolkraftverk. Med SiC-komponenter kommer de kunna minska förlusterna från 5 % till 1 %. Fordonsindustrin är en bransch där SiC-tekniken kan vara intressant i framtiden och spås av marknadsundersökningsföretag komma att vara en av motorerna i utvecklingen. Här är Toyota pådrivande. – Toyota räknar med att öka räckvidden hos sina elbilar med 20 procent genom att använda SiC-teknik. Om du räknar med att du först omvandlar växelström till likström från eluttaget till batteriet, sedan omvandlar likströmmen till växelström fram till motorn och därpå gör ytterligare en omvandling för att ta tillvara inbromsningsenergin blir den totala förlusten stor. Förutom att minska energiförlusterna och därmed utöka räckvidden räknar Toyota att kunna krympa moduler och system med mellan 30 och 50 procent och få en ökad flexibilitet i var utrustningen kan placeras då även behovet av slangar för vattenkylning försvinner. Men det finns även andra frågor än kostnadsskillnader mellan SiC- och kiselkomponenter som behöver adresseras av SiC-företagen och bland dem är tillförlitligheten en sådan. Tillverkarna måste nämligen garantera att SiC-komponenterna håller under en period på 30 år och det i utrustningar med kontinuerlig drift.