Das Siliziumkarbid-Rennen beginnt

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Halbleitertechnik

20. September 2021

Die wachsende Akzeptanz von Siliziumkarbid (SiC) für eine Vielzahl von Chips in der Automobilindustrie hat den Wendepunkt erreicht, an dem die meisten Chiphersteller diese Technologie nun als relativ sicher ansehen, so dass ein Wettlauf um die Vorherrschaft dieser Wide-Bandgap-Technologie begonnen hat.

SiC ist vielversprechend für eine Reihe von Automobilanwendungen, insbesondere für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge. Es kann die Reichweite pro Ladung im Vergleich zu Silizium erhöhen, die Zeit zum Aufladen einer Batterie verkürzen und zur Gesamteffizienz beitragen, indem es die gleiche Reichweite bei geringerer Batteriekapazität und weniger Gewicht bietet. Die Herausforderung besteht nun darin, die Kosten für die Herstellung dieser Geräte zu senken, weshalb die SiC-Fabriken von 6-Zoll (150 mm) auf 8-Zoll (200 mm) Wafer umsteigen.

"Diese überzeugenden Vorteile führen zu einer massenhaften Einführung von SiC in BEVs, was aufgrund von Skaleneffekten zu einer Senkung der SiC-Herstellungskosten führt", sagte Victor Veliadis, Executive Director und CTO des PowerAmerica Manufacturing USA Institute, das vom US-Energieministerium gegründet wurde, um die Einführung von SiC- und GaN-Leistungselektronik zu beschleunigen. "Dies ist die wichtigste Volumenanwendung, auf die sich die SiC-Hersteller konzentrieren und die ihre Produktionserweiterungen vorantreibt. Das ist auch der Grund, warum viele neue Unternehmen in das SiC-Geschäft einsteigen und warum wir einen intensiven Wettbewerb um den Sieg beim BEV-Design erleben."

Laut Veliadis, Professor für Elektrotechnik an der North Carolina State University, die PowerAmerica verwaltet, wird SiC in mehreren EV-Systemen eingesetzt, darunter im Wechselrichter, im DC-DC-Wandler und im On-Board-Ladegerät. Die Technologie kann auch dazu beitragen, die Zeit zu verkürzen, die zum Aufladen eines BEV benötigt wird.

"Hochspannungs-SiC-Leistungsbauelemente sind auch der Schlüssel für die Schnellladeinfrastruktur, die die letzte große Hürde für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen beseitigen wird", sagte er. "SiC ist bei hohen Spannungen hocheffizient und ermöglicht schnelle Ladezeiten, die mit der Tankfüllung konventioneller Fahrzeuge vergleichbar sind."

Nachdem Tesla im Jahr 2017 SiC in seinem Hauptinverter eingesetzt hat, ist die Automobilbranche zur Killeranwendung für SiC geworden, so Ezgi Dogmus, leitender Analyst für Verbindungshalbleiter und neue Substrate bei Yole Développement. "Seitdem haben wir ein Interesse an SiC bei fast allen Automobilherstellern und Tier 1s beobachtet. BYD, Toyota und Hyundai haben SiC für ihre EV-Modelle gewählt, und es wird erwartet, dass Audi, GM, Nio und Volkswagen folgen werden", sagte Dogmus. "Mit einer signifikanten Zunahme von Design Wins für SiC-Lösungen prognostizieren wir einen positiven Ausblick für den Zeitraum 2020 bis 2026. In der Tat ist der Automobilmarkt zweifellos der wichtigste Treiber und wird als solcher im Jahr 2026 mehr als 60 % des gesamten Marktanteils von SiC-Bauteilen halten."

Neben den EV-Anwendungen sieht Dogmus einen Trend zur Einführung von SiC in der Ladeinfrastruktur, wo es eine höhere Effizienz und eine geringere Systemgröße bietet. Darüber hinaus wird für SiC ein zweistelliges jährliches Wachstum zwischen 2019 und 2026 in Anwendungen wie Schienenverkehr, Motorantriebe und Photovoltaik prognostiziert.

SiC vs. GaN
SiC hat in der Leistungselektronik erhebliche Vorteile gegenüber Standard-Silizium und anderen Halbleitern mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN).

"Der Silizium-MOSFET hat ein schrittweises Wachstum und Verbesserungen über mehrere Jahrzehnte hinweg erfahren und nähert sich seinen theoretischen Grenzen", sagte Dogmus. "In der Vergangenheit waren diese MOSFET-Produkte für ihre Zielanwendungen ausreichend. Gleichzeitig weisen innovative Materialien mit breiter Bandlücke wie SiC und GaN Leistungseigenschaften auf, die die von siliziumbasierten Bauelementen übertreffen", so Dogmus. "Mit einer hohen Durchbruchspannung, einer hohen Schaltgeschwindigkeit und einem kleinen Formfaktor sind Wide-Bandgap-Materialien vielversprechende Kandidaten, um die Energiemarktindustrie zu ergänzen. Darüber hinaus ermöglichen sie eine Reduzierung der Anzahl passiver Komponenten pro System, was zu einem kompakten Design führt. Allerdings sind diese Materialien im Vergleich zu Silizium nach wie vor teuer."

Andere stimmen zu. Aus einer übergeordneten Sicht ist die Positionierung von Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid eindeutig, so Robert Hermann, Senior Director und Leiter des Produktmarketings für Hochspannungswandler bei Infineon Technologies. "Siliziumkarbid ist im Vergleich zu Silizium am stärksten, wenn es um eine Mischung aus hohen Temperaturen, hoher Leistung und höheren Schaltfrequenzen geht. Dies geht einher mit abgeleiteten Systemkostensenkungen für den Hauptwechselrichter und das Laden an Bord."

Galliumnitrid, die andere wichtige Technologie mit breiter Bandlücke , hat einen noch höheren Wirkungsgrad und ein besseres Frequenzverhalten. "Diese beiden Faktoren steigern die Leistungsdichte im Vergleich zu Siliziumkarbid auf ein höheres Niveau", sagte Hermann. "Um diesen Vorteil zu nutzen, müssen jedoch größere Systemänderungen vorgenommen werden. Außerdem sollten komplementäre Halbleiter- und passive Angebote verfügbar sein."

Im Moment ist der wahre Konkurrent von SiC bei Wechselrichtern für EV-Anwendungen und Hochleistungssysteme jedoch Silizium, so Dogmus von Yole. "Für SiC ist das Kosten/Leistungsverhältnis bei höheren Spannungen attraktiv. Der Einsatz von 1.200-V-SiC-Bauelementen in 800-V-Batteriefahrzeugen wird zum Beispiel eine bedeutende Marktchance darstellen. In der Zwischenzeit wird GaN weiter in den Schnelllademarkt für Mobiltelefonanwendungen vordringen. Bei geringerer Leistung bietet GaN nämlich ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis als SiC. Es wird erwartet, dass GaN auch in den Markt für Datenübertragungs- und Telekommunikationssysteme mit einer Leistung von weniger als 3 kW sowie in OBC- und DC-DC-Wandler für EV-Anwendungen vordringen wird."

Vorteile von SiC überwiegen die Hindernisse
Noch sind nicht alle Test- und Inspektionsverfahren vollständig ausgereift, und die Forderung nach Null-Fehler-Qualität in Automobilanwendungen ist eine hohe Messlatte für jedes neue Material. Viele Halbleiterhersteller sind jedoch der Meinung, dass diese Probleme relativ schnell überwunden werden können und bleiben äußerst optimistisch, was die Aussichten für SiC-Chips in Elektrofahrzeugen angeht.

Während SiC-Leistungsdioden schon seit vielen Jahren kommerziell genutzt werden, ist der SiC-MOSFET der "game changer", der die Marktlandschaft der SiC-Leistungselektronik schnell verändert", sagte Ming Su, Technical Marketing Manager bei Rohm Semiconductor. "Einer der wichtigsten Treiber des jüngsten Marktwachstums sind die Stromversorgungssysteme für Elektrofahrzeuge. Seitdem die SiC-MOSFET-Technologie vor einigen Jahren erstmals in Traktionswechselrichtern für Kraftfahrzeuge eingesetzt wurde, hat die Automobilindustrie die Vorteile von SiC gegenüber Silizium-Bauelementen in Bezug auf die Energieeffizienz und die Reduzierung der Systemgröße weitgehend akzeptiert."

Su sagte, dass heute fast alle Automobil-OEMs und EV-Startups SiC bereits eingesetzt haben oder sich in der Produktentwicklungsphase befinden, um SiC in ihren EV-Traktionswechselrichtern und On-Board-Ladegeräten zu verwenden. "SiC-Bauteile werden auch in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt. Weitere Leistungswandler für Fahrzeuge, die SiC verwenden, sind DC-DC-Wandler, die die Batteriespannung auf 12 V oder 48 V herabsetzen, sowie kabellose Batterieladegeräte."

Elektroautos erleben derzeit einen massiven Boom, der durch staatliche Vorschriften wie die von der Europäischen Union und anderen Regionen festgelegten_CO2 Emissionsgrenzwerte angeheizt wird. "Der starke Wunsch der Menschen, die Umwelt zu schützen und gleichzeitig Spaß am Fahren zu haben, unterstreicht dies", sagte Hermann von Infineon. "Das bedeutet, dass die Stückzahlen steigen, dass wir aus einer großen Nische herauskommen und in die Zukunft eines Massenmarktes für die Automobilproduktion eintreten - und dass der Preisdruck für die OEMs zunimmt. In dieser Situation spielt Siliziumkarbid eine sehr wichtige Rolle, da es verschiedene Trends im Bereich der EV-Stromversorgung unterstützt."

Dies wiederum eröffnet eine lange Liste neuer Optionen für OEMs und bietet ebenso viele Möglichkeiten für Chip-Hersteller.

"Ein technologischer Vorteil von Siliziumkarbid gegenüber IGBTs ist die höhere Energieeffizienz. Dies lässt sich gut am Beispiel des Hauptwechselrichters für Kraftfahrzeuge veranschaulichen, wo sich ein paar Prozentpunkte direkt in größeren Reichweiten oder und/oder kleineren Batterien niederschlagen", so Hermann. "Da die Leistungsverluste reduziert werden, wird das Wärmemanagement vereinfacht. Das heißt, obwohl die reinen Kosten für Leistungshalbleiter im Vergleich zu IGBTs höher sind, senkt SiC die Systemkosten erheblich. Für den Käufer eines Elektroautos ist die Formel einfach - mehr Reichweite für weniger Kosten."

Die Effizienz von SiC kann auch zu mehr Platz im Fahrzeug führen. "Siliziumkarbid kann über eine andere Anwendung, nämlich das Aufladen von Batterien im Auto, direkt zu mehr Platz beitragen", sagte er. "Um die Reichweite zu erhöhen, steigen die Batteriekapazitäten. Das bedeutet, dass die Leistung für das Laden an Bord erhöht werden muss, da es sonst nicht möglich wäre, die Batterie über Nacht vollständig aufzuladen. Außerdem gibt es immer mehr Anwendungsfälle, die ein bidirektionales Laden erfordern, wie z.B. Vehicle-to-Grid. Ohne konstruktive und technologische Maßnahmen würde das Ladegerät an Bord immer größer werden und den vorhandenen Platz im Auto wegnehmen. Mit Siliziumkarbid wird nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern es können auch höhere Schaltfrequenzen realisiert werden. Dies führt zu kleineren passiven Bauelementen und einem geringeren Kühlaufwand. Wir glauben sogar, dass die Leistungsdichte von Siliziumkarbid im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Lösungen verdoppelt werden kann, um ehrgeizige Designziele zu erreichen und die Größe von Onboard-Ladegeräten zu reduzieren."

Die Automobilhersteller gehen zu einem 800-V-Gleichstrombus über, um die für das Fahrzeug und die verschiedenen Anwendungen verfügbare Energiemenge zu erhöhen, ohne die Größe der elektrischen Anschlüsse zu vergrößern, was das Fahrzeug unnötig schwer und groß machen würde. SiC ist für diese Anwendungen effizienter als Silizium, da es die Verluste reduziert, die überschüssige Wärme erzeugen.

"Diese Spannung hat zur Folge, dass SiC-MOSFETs mit einer Nennspannung von 1.200 V die richtige Wahl für das Design sind, anstatt 650 V zu verwenden, die für 400-V-Batterien und -Systeme besser geeignet wären", sagte Filippo DiGiovanni, Manager für strategisches Marketing, Innovation und Schlüsselprogramme bei STMicroelectronics' Power Transistor MACRO Division. "Das bedeutet, dass ein mit SiC ausgestatteter Wechselrichter von Haus aus effizienter ist, was zu längeren Reichweiten bei gegebener Batteriekapazität führt. Außerdem sind die geringeren Kühlungsanforderungen von SiC ein weiteres großes Plus. GaN-Transistoren (oder High-Electron-Mobility-Transistoren, HEMTs) können aufgrund ihrer Effizienzvorteile auch für Anwendungen mit höherer Spannung, wie z.B. Traktionswechselrichter in Elektrofahrzeugen, verwendet werden, aber SiC ist effizienter als GaN, das eine laterale Struktur hat und hohe Spannungen nicht so leicht zulässt wie SiC MOSFETs."

SiC ist ein Schlüsselmaterial für Halbleiter der nächsten Generation, das technische Vorteile in SiC-Leistungsschaltern bietet, die die Systemeffizienz in Elektrofahrzeugen, beim Aufladen von Fahrzeugen und in der Energieinfrastruktur erheblich verbessern, fügte Bret Zahn, Vice President und General Manager für die Geschäftseinheit Electric Vehicle Traction Power Module von onsemi, hinzu. "SiC-Leistungsmodule sind eine beliebte Nachfrage, aber auch das Segment der SiC-Bare-Die-Bausteine wächst schnell."

Höhere Spannungen, niedrigere Gesamtkosten
Der Wechsel zu Architekturen mit höherer Spannung für das Schnellladen hat weitreichende Auswirkungen auf BEVs.

"Bei hohen Spannungen werden die Effizienzvorteile von SiC im Vergleich zu ihren Silizium-Gegenstücken deutlicher", sagte Veliadis. "Heute entwickeln fast alle BEV-Hersteller Produkte für 400 V, bei denen Silizium sehr wettbewerbsfähig ist. Wenn man zu höheren Spannungen übergeht - zum Beispiel 800 bis 1.000 V -, kann man schneller laden und dabei das Gewicht reduzieren und dank der viel dünneren Drähte besser verpacken, denn höhere Spannungen bedeuten weniger Stromstärken bei gleicher Leistung."

Das hilft, Kosten einzusparen und das Gesamtsystem effizienter zu machen. "Der EV-Kunde möchte Preise sehen, die mit den Angeboten für Verbrennungsmotoren vergleichbar sind. Um das zu erreichen, ist noch mehr Arbeit nötig", sagte er. "Was die Preisgestaltung von SiC im Vergleich zu Silizium in Elektrofahrzeugen angeht, so werden die höheren Kosten der heutigen SiC-Bauteile durch die Vereinfachung des Gesamtsystems durch die Vorteile von SiC ausgeglichen, einschließlich des Betriebs mit höherer Frequenz und geringerem Kühlungsbedarf. Darüber hinaus reduziert die höhere SiC-Effizienz die Anzahl der Batterien, die einen erheblichen Kostenfaktor bei Elektrofahrzeugen darstellen. Insgesamt ist SiC in Elektrofahrzeugen also wettbewerbsfähig und kann billiger sein als Siliziumlösungen. Die Haupthindernisse für eine massenhafte Einführung von SiC in Elektrofahrzeugen sind Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Robustheit sowie der Mangel an geschulten Arbeitskräften, die diese Technologien umsetzen können."

Da schnelles Laden höhere Spannungsarchitekturen erfordert, um die gleiche Leistung mit geringeren Strömen (und damit geringerem Gewicht, Volumen und geringeren Kosten für die Verkabelung) zu erreichen, wird der Wertbeitrag von SiC noch deutlicher werden, fügte er hinzu.

Um diese Technologien voranzutreiben und teilweise auch, um die Effizienz zu verbessern, werden die OEMs zunehmend vertikal integriert. Das wiederum setzt die Tier-1- und Tier-2-Anbieter unter Druck, ihre Kosten weiter zu senken. Dies trägt auch dazu bei, eine ununterbrochene Lieferkette zu gewährleisten, vom ersten Wafer bis zu den gefertigten Geräten, um die hohe Nachfrage zu befriedigen.

Dies löst eine Investitionswelle im SiC-Bereich aus, einschließlich einiger Fusionen und Übernahmen. "Übernahmen in der Branche sind ein Trend", sagte Veliadis. "Damit neue Unternehmen effektiv und rechtzeitig mit Unternehmen konkurrieren können, die eine lange Geschichte in der SiC-Technologie haben, bringt die Übernahme von SiC-Unternehmen, die ihre Expertise ergänzen, Synergien und eine schnelle Markteinführung."

Ein Beispiel: Im August gab onsemi bekannt, dass es eine endgültige Vereinbarung zur Übernahme von GT Advanced Technologies, einem Hersteller von kristallinen Siliziumkarbid (SiC)-Wachstumstechnologien und Substraten, getroffen hat.

"400V Batteriespannung ist heute weit verbreitet, aber es gibt einen wachsenden Bedarf an 800V Batteriesystemen für die Produktion ab 2024", sagte Zahn von onsemi. "Diese Systeme werden wahrscheinlich zum Standard werden, da sie eine größere Reichweite pro Ladung ermöglichen, indem sie eine höhere Dichte und Effizienz ohne Verteilungsverluste oder größere Kabel im Auto und an den Ladestationen ermöglichen. Die Vorteile von SiC gegenüber der Siliziumtechnologie werden bei der für den 800-V-Bus erforderlichen Spannung von 1.200 V noch deutlicher. SiC kann mit einer höheren Schaltfrequenz und möglicherweise bei höheren Temperaturen arbeiten, die durch das Gehäuse begrenzt sind. Angesichts der erfolgreichen Einführung von SiC durch Tesla und der Notwendigkeit einer höheren Reichweite drängen viele OEMs eifrig auf die Einführung von SiC-Elektroantrieben."

Fazit
Der Druck der Regierungen, die Emissionen zu reduzieren, und die wachsende Beliebtheit von BEVs treiben Siliziumkarbid und andere Materialien mit großer Bandlücke in den Vordergrund. All dies braucht jedoch Zeit, und bisher sind SiC und GaN die führenden Kandidaten, um Silizium in einigen Automobilanwendungen zu ersetzen.

Jedes neue Material hat seinen Preis in Bezug auf die Erträge, die Fehleranfälligkeit und die verschiedenen Herstellungsprozesse, aber SiC hat genug Vorteile, um von den Automobilherstellern für verschiedene Komponenten in einem Elektrofahrzeug eingesetzt zu werden. Es ist zu erwarten, dass die Verwendung von SiC von nun an noch zunehmen wird, da die Autoindustrie diese Technologie in den Mainstream drängt, Druck auf die Preise ausübt und alle Probleme, die in der Fertigung auftauchen könnten, beseitigt.