Il carburo di silicio, anche detto SiC, è un materiale di base semiconduttore costituito da silicio puro e carbonio puro. È possibile aggiungere azoto o fosforo al carburo di silicio per formare un semiconduttore di tipo n oppure aggiungere berillio, boro, alluminio o gallio per formare un semiconduttore di tipo p. Anche se ne esistono molte varietà e gradi di purezza diversi, il carburo di silicio di qualità per i semiconduttori è emerso solo negli ultimi decenni.
Come viene prodotto il carburo di silicio?
Il metodo di produzione più semplice del carburo di silicio prevede la fusione di sabbia silicea e carbonio, ad esempio il carbone, a temperature elevate che raggiungono i 2.500 gradi Celsius. Le versioni più scure e comuni del carburo di silicio spesso contengono impurità di ferro e carbonio, ma i cristalli puri sono incolori e si formano quando il carburo di silicio sublima a 2.700 gradi Celsius. Una volta riscaldati, i cristalli si depositano sulla grafite a una temperatura inferiore in un processo noto come metodo Lely.
- Metodo Lely: durante questo processo, un crogiolo di granito viene portato a una temperatura molto elevata, solitamente per induzione, per sublimare la polvere di carburo di silicio. Nella miscela gassosa si sospende una barra di grafite a una temperatura inferiore; questo permette intrinsecamente al carburo di silicio puro di depositarsi e formare dei cristalli.
- Deposizione chimica da vapore: in alternativa, il carburo di silicio cubico si può ottenere mediante la deposizione chimica da vapore, comunemente utilizzata nei processi di sintesi basati sul carbonio e impiegata nel settore dei semiconduttori. In questo metodo, una miscela chimica specializzata di gas entra in un ambiente sotto vuoto e si combina prima di depositarsi su un substrato.
Entrambi i metodi di produzione di wafer di carburo di silicio richiedono grandi quantità di energia, apparecchiature e conoscenze specifiche.
Impieghi e vantaggi del carburo di silicio
Tradizionalmente, il carburo di silicio viene utilizzato dai produttori in ambienti a temperatura elevata per dispositivi quali cuscinetti, componenti di macchinari per il riscaldamento, freni per auto e persino strumenti l'affilatura dei coltelli. Nelle applicazioni legate all'elettronica e ai semiconduttori, i principali vantaggi del carburo di silicio sono:
- Elevata conduttività termica di 120-270 W/mK
- Basso coefficiente di dilatazione termica di 4,0 x 10^-6/°C
- Elevata densità di corrente massima
Queste tre caratteristiche combinate conferiscono al carburo di silicio un'eccellente conduttività elettrica, soprattutto se confrontata con il semplice silicio. Le caratteristiche materiali lo rendono estremamente vantaggioso per applicazioni ad alta potenza in cui sono richieste correnti elevate, alte temperature e un'elevata conduttività termica.
Negli ultimi anni, il carburo di silicio è diventato fondamentale per il settore dei semiconduttori, alimentando MOSFET, diodi Schottky e moduli di potenza per l'uso in applicazioni ad alta potenza e alta efficienza. Anche se più costoso dei MOSFET al silicio, generalmente limitati a tensioni di scarica a 900 V, il carburo di silicio consente soglie di tensione a quasi 10 kV.
Il carburo di silicio presenta inoltre perdite di commutazione molto basse e può supportare frequenze operative elevate; questo gli permette di raggiungere efficienze attualmente imbattibili, in particolare in applicazioni che funzionano a oltre 600 V. Con una corretta implementazione, i dispositivi SiC possono ridurre di quasi il 50% le perdite di sistema di convertitori e inverter, del 300% le dimensioni e del 20% il costo complessivo del sistema. Le ridotte dimensioni totali del sistema rendono il carburo di silicio particolarmente utile in applicazioni in cui il peso e lo spazio sono fattori importanti.
Applicazioni del carburo di silicio
Molti produttori puntando sull'utilizzo del carburo di silicio in applicazioni quali veicoli elettrici, stazioni di ricarica per veicoli elettrici, sistemi a energia solare e HVAC. Tutti questi sistemi orientati all'efficienza generano tensioni e temperature elevate. C'è una forte spinta globale verso l'implementazione del carburo di silicio rispetto ad altri materiali, per tentare di ridurre le emissioni di CO2 causate dalle inefficienze di corrente a tensioni più elevate. Le tecnologie all'avanguardia, come i veicoli elettrici e l'energia solare, stanno aprendo la strada all'utilizzo del carburo di silicio, ma presto vedremo anche altri settori tradizionali seguire questo esempio.
Il carburo di silicio si è affermato nelle applicazioni automobilistiche in risposta alla domanda di qualità, affidabilità ed efficienza elevate da parte del settore. Il carburo di silicio è in grado di soddisfare in modo eccellente le esigenze di alta tensione. Può aumentare le distanze di guida dei veicoli elettrici incrementando l'efficienza complessiva del sistema, in particolare all'interno del sistema inverter, che aumenta il risparmio energetico complessivo del veicolo riducendo le dimensioni e, di conseguenza, il peso dei sistemi di gestione della batteria.
Secondo Goldman Sachs, l'utilizzo del carburo di silicio nei veicoli elettrici può ridurne il costo di produzione e il costo di proprietà di circa 2.000 dollari a veicolo. Inoltre, il carburo di silicio ottimizza i processi di ricarica rapida dei veicoli elettrici, che in genere si esprimono in kV: può ridurre la perdita complessiva del sistema di quasi il 30%, aumentare la densità di potenza del 30% e ridurre il numero di componenti del 30%. Questa efficienza permetterà di realizzare stazioni di ricarica rapida più piccole, più veloci e più convenienti.
Nel settore dell'energia solare, l'ottimizzazione degli inverter SiC svolge un ruolo importante per l'efficienza e il risparmio. L'uso del carburo di silicio negli inverter solari aumenta la frequenza di commutazione del sistema da due a tre volte rispetto al silicio standard. L'aumento della frequenza di commutazione consente una riduzione dei magneti del circuito, con un notevole risparmio in termini di spazio e di costi. Di conseguenza, i progetti con inverter al carburo di silicio possono avere dimensioni e peso dimezzati rispetto all'uso di inverter al silicio. Durata e affidabilità sono tra gli altri fattori che incoraggiano ingegneri e produttori del settore dell'energia solare a utilizzare il carburo di silicio rispetto ad altri materiali, come il nitruro di gallio (GaN). L'affidabilità del carburo di silicio permette ai sistemi solari di raggiungere la longevità e stabilità necessarie per funzionare ininterrottamente per oltre un decennio.
Scopri di più sulle differenze tra GaN e SiC.
Salvare il pianeta con il carburo di silicio
Diversi leader chiave nel mercato del carburo di silicio forniscono un gran numero di risorse e prodotti SiC. Wolfspeed offre una varietà di prodotti al carburo di silicio, quali:
Wolfspeed è anche il maggior produttore di wafer SiC di base e ha una notevole esperienza in tutto ciò che riguarda il carburo di silicio. L'azienda è impegnata ad ampliare le capacità e l'adozione del carburo di silicio. Per saperne di più, dai un'occhiata alla sua offerta completa di soluzioni al carburo di silicio.
Anche altri produttori di semiconduttori, come Infineon Technologies, onsemi o ST Microelectronics, vantano un ampio portafoglio di prodotti al carburo di silicio, tra cui MOSFET di potenza e moduli di potenza. Anche queste aziende stanno investendo per ampliare le capacità del carburo di silicio.
Nella progettazione con il carburo di silicio è necessario prendere in considerazione anche altri componenti, ad esempio i driver gate di Analog Devices, Infineon Technologies, onsemi e Skyworks. Inoltre, il sistema richiederà componenti passivi e interconnessioni come i magneti di Bourns, Inc., i condensatori di Yageo e i connettori di Molex. Arrow Electronics può aiutarti a reperire tutti questi componenti dai principali fornitori per progettare al meglio una soluzione basata sul carburo di silicio.
