El carburo de silicio, también llamado SiC, es un material base semiconductor que se compone de silicio puro y carbono puro. Puede administrar nitrógeno o fósforo al SiC para formar un semiconductor de tipo n, o administrar berilio, boro, aluminio o galio para formar un semiconductor de tipo p. Si bien, existen muchas variedades y purezas de carburo de silicio, el carburo de silicio de calidad de pureza para semiconductores solo ha surgido para su uso en las últimas dos décadas.
¿Cómo se fabrica el carburo de silicio?
El método de fabricación más simple de carburo de silicio involucra derretir arena silícea y carbono, como carbón, a alta temperatura (hasta 2500 °C). Versiones más oscuras y comunes de carburo de silicio normalmente incluyen impurezas de hierro y carbono, pero los cristales de SiC puros son incoloros y se forman cuando el carburo de silicio se sublima a 2700 °C. Cuando se calientan, estos cristales se depositan en grafito a una temperatura más fría en un proceso que se denomina método de Lely.
- Método de Lely: durante este proceso, se calienta un crisol de granito a una temperatura muy alta, normalmente por medio de inducción, para sublimar polvo de carburo de silicio. Una varilla de grafito con temperatura más baja se suspende en la mezcla gaseosa, lo que permite que el carburo de silicio puro se deposite de manera inherente y forme cristales.
- Depósito químico mediante vapor: como alternativa, los fabricantes producen cantidades cúbicas de SiC con el uso de depósito químico mediante vapor, lo que se usa de manera común en procesos de síntesis basados en carbón y se usa en la industria de los semiconductores. En este método, una mezcla química especializada de gases ingresa a un ambiente vacío y se combina antes de depositarse en un substrato.
Ambos métodos de producción de obleas de carburo de silicio requieren una gran cantidad de energía, equipos y conocimiento para que tengan éxito.
¿Para qué se usa el carburo de silicio? Ventajas del SiC
De manera histórica, los fabricantes han usado el carburo de silicio en ambientes de alta temperatura, para dispositivos como cojinetes, componentes de maquinaria de calefacción, frenos de automóviles e incluso herramientas de afilado de cuchillos. En aplicaciones de aparatos electrónicos y semiconductores, las principales ventajas del SiC son:
- Alta conductividad térmica de 120 a 270 W/mK
- Bajo coeficiente de expansión térmica de 4,0 x 10^-6/°C
- Alta densidad de corriente máxima
Estas tres características combinadas le otorgan al SiC una excelente conductividad eléctrica, especialmente cuando se le compara con el silicio, el primo más popular del SiC. Las características del material del SiC lo hacen altamente ventajoso para aplicaciones de alta potencia, donde se requiere alta corriente, alta temperatura y alta conductividad térmica.
En años recientes, el SiC se ha convertido en un actor clave en la industria de semiconductores, al suministrar energía a MOSFET, diodos Schottky y módulos de potencia para su uso en aplicaciones de alta potencia y gran eficiencia. Si bien es más costoso que los MOSFET de silicio, que normalmente se limitan a tensiones de ruptura de 900 V, el SiC permite umbrales de tensión de cerca de 10 kV.
El SiC también tiene pérdidas de conmutación muy bajas y puede soportar frecuencias de funcionamiento altas, lo que le permite lograr eficiencias que son actualmente imbatibles, especialmente en aplicaciones que funcionan a más de 600 voltios. Con la implementación correcta, los dispositivos de SiC pueden reducir las pérdidas en el sistema del convertidor e inversor en cerca de 50 %, en tamaño de 300 %, y de costos generales del sistema de 20 %. Esta reducción en el tamaño general del sistema le da al SiC la capacidad de ser muy útil en aplicaciones sensibles al peso y espacio.
Usos del carburo de silicio
Muchos fabricantes consideran usar SiC en el futuro en usos como vehículos eléctricos, estaciones de carga de vehículos eléctricos, sistemas de energía solar, y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Todos estos sistemas eficientes producen alta tensión y alta temperatura. Observamos un significativo impulso mundial por implementar SiC en lugar de otros materiales en un esfuerzo por reducir las emisiones de carbono que se producen por las ineficiencias de la energía a alta tensión. Aunque tecnologías de vanguardia como los vehículos eléctricos y la energía solar son pioneras en la utilización de SiC, esperamos ver que más industrias antiguas hagan lo mismo pronto.
El SiC se ha vuelto popular en el sector automotriz, debido a la demanda de la industria por alta calidad, confiabilidad y eficiencia. El SiC puede responder a demandas de alta tensión con habilidad. El carburo de silicio tiene el potencial de aumentar las distancias de conducción de vehículos eléctricos mediante el aumento de la eficiencia general del sistema, especialmente dentro del sistema inversor, lo que aumenta la conservación general de energía del vehículo, mientras reduce el tamaño y el peso resultante de los sistemas de administración de baterías.
Goldman Sachs incluso predice que la utilización de carburo de silicio en vehículos eléctricos puede reducir el costo de fabricación y de propiedad de los mismos en cerca de USD 2000 por vehículo. El SiC también optimiza los procesos de carga rápida de vehículos eléctricos, los que normalmente funcionan en el rango de kV, donde puede reducir la pérdida general del sistema en prácticamente 30 %, aumentar la densidad de potencia en 30 % y reducir la cantidad de componentes en 30 %. Esta eficiencia permitirá que las estaciones de carga rápida sean más pequeñas, rápidas y rentables.
En la industria solar, la optimización de inversores habilitados para SiC también interpreta un papel importante en la eficiencia y el ahorro de costos. La utilización de carburo de silicio en inversores solares aumenta la frecuencia de conmutación del sistema al doble o al triple que la del silicio estándar. Este aumento en la frecuencia de conmutación permite una reducción en los componentes magnéticos del circuito, lo que produce considerables ahorros de espacio y costos. En consecuencia, los diseños de inversores basados en carburo de silicio pueden ser prácticamente de la mitad del tamaño y peso de los de un inversor basado en silicio. Otro factor que insta a los fabricantes e ingenieros solares a usar SiC en lugar de otros materiales, como el nitruro de galio, es su gran durabilidad y confiabilidad. La confiabilidad del carburo de silicio permite a los sistemas solares lograr la longevidad estable que necesitan para funcionar de manera continua durante más de una década.
Obtenga más información sobre las diferencias entre GaN y SiC.
Salvamos el mundo con carburo de silicio
Muchos importantes líderes en el sector del carburo de silicio ofrecen abundantes recursos y productos centrados en el SiC. Wolfspeed ofrece una variedad de productos de carburo de silicio, como por ejemplo:
Wolfspeed también es el principal fabricante de obleas de SiC base, lo que lo convierte en un experto en todo lo que concierne al SiC. Wolfspeed se dedica a expandir la viabilidad y adopción del carburo de silicio. Para obtener más información, revise su completa oferta de soluciones de carburo de silicio.
Otras empresas de semiconductores, como Infineon Technologies, onsemi, ST Microelectronics, cuentan con grandes carteras de productos de carburo de silicio también, lo que incluye MOSFET y módulos de potencia. También realizan sus propias inversiones para expandir la capacidad de SiC.
Hay otros componentes que se deben considerar también al diseñar con SiC. Entre estos se encuentran los controladores de compuerta de Analog Devices, Infineon Technologies, onsemi y Skyworks. Adicionalmente, el sistema requerirá pasivos e interconexiones, como elementos magnéticos de Bourns, Inc., capacitores de Yageo y conectores de Molex. Arrow Electronics lo puede ayudar a abastecerse de todos estos componentes de proveedores líderes para diseñar de manera exitosa una solución que utilice SiC.
