La course au carbure de silicium commence

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Ingénierie des semi-conducteurs

20 septembre 2021

L'adoption croissante du carbure de silicium (SiC) pour une variété de puces automobiles a atteint le point de basculement où la plupart des fabricants de puces le considèrent désormais comme un pari relativement sûr, ce qui a déclenché une ruée pour s'approprier cette technologie à large bande passante et la faire entrer dans le courant dominant.

SiC est très prometteur pour un certain nombre d'applications automobiles, en particulier pour les véhicules électriques à batterie. Il peut augmenter l'autonomie par charge par rapport au silicium, réduire le temps de charge d'une batterie et contribuer à l'équation de l'efficacité globale en surfrant la même autonomie avec une capacité de batterie plus faible et un poids moindre. Le défi consiste maintenant à réduire le coût de fabrication de ces dispositifs, ce qui explique pourquoi les usines de SiC passent de plaques de 6 pouces (150 mm) à des plaques de 8 pouces (200 mm).

"Ces avantages convaincants conduisent à l'adoption massive du SiC dans les BEV, ce qui permet de réduire les coûts de fabrication du SiC grâce aux économies d'échelle", a déclaré Victor Veliadis, directeur exécutif et directeur technique du PowerAmerica Manufacturing USA Institute, créé par le ministère américain de l'énergie pour accélérer l'adoption de l'électronique de puissance à base de SiC et de GaN. "Il s'agit de la principale application en volume sur laquelle les fabricants de SiC se concentrent et qui alimente l'expansion de leur production. C'est aussi la raison pour laquelle de nombreux nouveaux venus entrent dans le domaine du SiC, et pourquoi nous assistons à une concurrence intense pour la conception des BEV.

Selon M. Veliadis, prsuresseur d'ingénierie électrique à l'université d'État de Caroline du Nord, qui gère PowerAmerica, le SiC est inséré dans plusieurs systèmes de VE, notamment l'onduleur de traction, le convertisseur DC-DC et le chargeur embarqué. Cette technologie peut également contribuer à réduire le temps de charge d'un BEV.

"Les dispositifs de puissance SiC à haute tension sont également essentiels pour mettre en place l'infrastructure de charge rapide qui lèvera le dernier obstacle majeur à l'acceptation des VE par le grand public", a-t-il déclaré. "Le SiC est très efficace à haute tension, ce qui permet des temps de charge rapide des batteries comparables au remplissage du réservoir des véhicules conventionnels.

Suite à l'adoption par Tesla du SiC dans son onduleur principal en 2017, l'automobile est devenue l'application phare du SiC, note Ezgi Dogmus, team lead analyst pour les semi-conducteurs composés et les substrats émergents chez Yole Développement. "Depuis lors, nous avons constaté un intérêt pour le SiC de la part de presque tous les constructeurs automobiles et des Tier 1. BYD, Toyota et Hyundai ont choisi le SiC pour leurs modèles de véhicules électriques, et Audi, GM, Nio et Volkswagen devraient suivre", a déclaré M. Dogmus. "Avec une augmentation significative des conceptions gagnantes pour les solutions SiC, nous prévoyons de bonnes perspectives pour la période de 2020 à 2026. En fait, le marché de l'automobile est sans aucun doute le principal moteur et, en tant que tel, il détiendra plus de 60 % de la part de marché totale des dispositifs SiC en 2026."

Outre les applications pour les véhicules électriques, Dogmus constate une tendance à l'adoption du SiC dans les infrastructures de recharge, où il surfre une efficacité accrue et une taille de système réduite. En outre, le SiC devrait connaître un taux de croissance annuel composé à deux chiffres entre 2019 et 2026 dans des applications telles que les chemins de fer, les entraînements de moteurs et l'énergie photovoltaïque.

SiC vs. GaN
Dans le domaine de l'électronique de puissance, le SiC présente des avantages significatifs par rapport aux surfres standard en silicium, ainsi qu'à d'autres semi-conducteurs à large bande interdite tels que lenitrure de gallium (GaN).

"Le MOSFET en silicium a connu une croissance progressive et des améliorations sur plusieurs décennies et s'approche de ses limites théoriques", a déclaré M. Dogmus. "Historiquement, ces produits MOSFET ont été suffisants pour leurs applications cibles. Dans le même temps, les matériaux innovants à large bande interdite, tels que le SiC et le GaN, présentent des propriétés de performance qui dépassent celles des dispositifs à base de silicium", a déclaré M. Dogmus. "Avec une tension de claquage élevée, une vitesse de commutation élevée et un petit facteur de forme, les matériaux à large bande interdite sont des candidats prometteurs pour compléter l'industrie du marché de l'énergie. En outre, ils permettent de réduire le nombre de composants passifs par système, ce qui se traduit par une conception compacte. Cependant, ces matériaux restent coûteux par rapport au silicium".

D'autres sont d'accord. D'un point de vue général, le positionnement du silicium, du carbure de silicium et du nitrure de gallium est simple, selon Robert Hermann, directeur principal et responsable du marketing des produits pour la conversion à haute tension chezInfineon Technologies ( )."Le carbure de silicium est le plus fort lorsqu'il s'agit d'un mélange de haute température, de haute puissance et de fréquences de commutation plus élevées, par rapport au silicium. Cela va de pair avec les réductions de coûts dérivées du système pour l'onduleur principal et la charge embarquée."

Le nitrure de gallium, l'autre grande technologie debande interdite , a un rendement encore plus élevé et un meilleur comportement en fréquence. "Ces deux facteurs portent la densité de puissance à un niveau supérieur à celui du carbure de silicium", a déclaré M. Hermann. "Toutefois, pour tirer parti de ces avantages, il est nécessaire d'apporter des modifications plus importantes au système. En outre, des surfres complémentaires de semi-conducteurs et de composants passifs devraient être disponibles.

Pour l'instant, cependant, la véritable concurrence du SiC dans les onduleurs pour les applications des véhicules électriques et les systèmes à haute puissance est le silicium, a déclaré M. Dogmus de Yole. "Pour le SiC, le rapport coût/performance est intéressant à des tensions plus élevées. Par exemple, la mise en œuvre de dispositifs SiC de 1 200 V dans des véhicules à batterie de 800 V représentera une opportunité de marché significative. Dans le même temps, le GaN continuera à pénétrer le marché de la charge rapide pour les applications de téléphones portables. En fait, à faible puissance, le GaN présente un meilleur rapport coût-bénéfice que le SiC. Le GaN devrait également pénétrer le marché de l'alimentation des datacoms et des télécommunications pour les systèmes de moins de 3 kW, ainsi que les convertisseurs OBC et DC-DC dans les applications pour véhicules électriques".

Les avantages du SiC l'emportent sur les obstacles
Tous les processus de test et d'inspection n'ont pas encore été entièrement mis au point, et la demande de zéro défectuosité dans les applications automobiles est une barre très haute pour tout nouveau matériau. Mais de nombreux fabricants de semi-conducteurs pensent que ces problèmes peuvent être surmontés relativement rapidement et restent extrêmement optimistes quant aux perspectives des puces SiC dans les véhicules électriques.

"Alors que les diodes de puissance SiC sont utilisées commercialement depuis de nombreuses années, le MOSFET SiC change la donne et transforme rapidement le paysage du marché de l'électronique de puissance SiC", a déclaré Ming Su, directeur du marketing technique chez Rohm Semiconductor. "Les systèmes d'alimentation des véhicules électriques sont l'un des principaux moteurs de la croissance récente du marché. Depuis que la technologie SiC MOSFET a été adoptée pour la première fois dans les onduleurs de traction automobile il y a quelques années, l'avantage du SiC par rapport aux dispositifs en silicium en termes d'efficacité énergétique et de réduction de la taille du système a été largement accepté par l'industrie automobile.

M. Su a déclaré qu'aujourd'hui, la quasi-totalité des équipementiers automobiles et des start-ups spécialisées dans les véhicules électriques ont déjà adopté le SiC ou sont en train de concevoir des produits utilisant le SiC dans leurs onduleurs de traction et leurs chargeurs embarqués pour les véhicules électriques. "Les dispositifs SiC ont également été adoptés dans les véhicules à pile à combustible. Parmi les autres convertisseurs de puissance automobiles utilisant le SiC, citons les convertisseurs DC-DC pour abaisser la tension de la batterie à 12V ou 48V, et les chargeurs de batterie sans fil".

Les VE connaissent actuellement un essor considérable, alimenté par des réglementations gouvernementales telles que les limites d'émission de_CO2 fixées par l'Union européenne et d'autres régions. "Ce phénomène est également accentué par le désir prsurond des gens de protéger l'environnement tout en prsuritant d'une expérience de conduite agréable", a déclaré M. Hermann d'Infineon. "Cela signifie une augmentation des volumes, la sortie d'une grande niche et l'entrée dans l'avenir d'un marché de masse pour la production automobile - et une pression accrue sur les prix pour les équipementiers. Dans cette situation, le carbure de silicium joue un rôle très important, car il soutient diverses tendances dans les applications d'alimentation des véhicules électriques."

Cela ouvre une longue liste de nouvelles options pour les équipementiers et surfre autant d'opportunités pour les fabricants de puces.

"L'un des avantages technologiques du carbure de silicium par rapport aux IGBT est un meilleur rendement énergétique. Cela s'illustre bien dans le cas de l'onduleur automobile principal, où quelques points de pourcentage se traduisent directement par des gammes plus étendues et/ou des batteries plus petites", a déclaré M. Hermann. "Comme les pertes de puissance sont réduites, la gestion Lermique est simplifiée. En d'autres termes, bien que les coûts des semi-conducteurs de puissance pure soient plus élevés que ceux des IGBT, le SiC réduit considérablement les coûts du système. Pour l'acheteur d'un véhicule électrique, la formule est simple : une plus grande autonomie pour un coût moindre.

L'efficacité du carbure de silicium peut également se traduire par un gain d'espace à l'intérieur d'un véhicule. "Le carbure de silicium peut contribuer directement à l'augmentation de l'espace par le biais d'une autre application, le chargement à bord des véhicules", a-t-il déclaré. "Pour augmenter l'autonomie, les capacités des batteries augmentent. Cela signifie que les niveaux de puissance pour la recharge à bord doivent augmenter, sinon il ne serait pas possible de recharger complètement la batterie pendant la nuit. En outre, il existe un nombre croissant de cas d'utilisation qui nécessitent une charge bidirectionnelle, comme le véhicule vers le réseau. En l'absence de mesures de conception et de technologie, le chargeur embarqué deviendrait de plus en plus volumineux, ce qui réduirait l'espace disponible dans la voiture. Le carbure de silicium permet non seulement d'augmenter l'efficacité, mais aussi de réaliser des fréquences de commutation plus élevées. Il en résulte des éléments passifs plus petits et un effort de refroidissement réduit. En fait, nous pensons que la densité de puissance du carbure de silicium peut être doublée par rapport aux solutions traditionnelles à base de silicium, ce qui permet d'atteindre des objectifs de conception ambitieux et de réduire la taille des chargeurs embarqués".

Les constructeurs automobiles adoptent un bus de 800 V CC pour augmenter la quantité d'énergie disponible pour le véhicule et les diverses applications sans augmenter la taille des connecteurs électriques, ce qui ajouterait un poids et un encombrement inutiles au véhicule électrique. Pour ces applications, le SiC est plus efficace que le silicium, car il réduit les pertes qui génèrent un excès de chaleur.

"En raison de cette tension, les MOSFET SiC d'une capacité de 1 200 V constituent un choix de conception approprié au lieu de 650 V, qui serait le choix le plus approprié pour les batteries et les systèmes de 400 V ", a déclaré Filippo DiGiovanni, responsable du marketing stratégique, de l'innovation et des programmes clés pour la division MACRO des transistors de puissance de STMicroelectronics. "Cela signifie qu'un onduleur équipé de SiC est intrinsèquement plus efficace, ce qui se traduit par des distances de conduite plus longues pour des batteries de capacité donnée. De plus, les exigences moins strictes du SiC en matière de refroidissement constituent un autre atout important. Les transistors GaN (ou transistors à haute mobilité électronique, HEMT) peuvent également être utilisés en raison de leurs avantages en termes d'efficacité pour les applications à haute tension, comme les onduleurs de traction dans les véhicules électriques, mais le SiC est plus efficace que le GaN, qui a une structure latérale et ne permet pas une tension élevée aussi facilement que les MOSFETs SiC."

Le SiC est un matériau clé pour les semi-conducteurs de la prochaine génération qui surfre des avantages techniques dans les dispositifs de commutation de puissance SiC, améliorant de manière significative l'efficacité du système dans les véhicules électriques, la recharge des véhicules électriques et l'infrastructure énergétique, a ajouté Bret Zahn, vice-président et directeur général de l'unité commerciale des modules d'alimentation de traction pour véhicules électriques de l'onsemi. "Les modules de puissance SiC sont une demande populaire, mais le segment des puces SiC nues connaît également une croissance rapide.

Des tensions plus élevées, un coût global plus faible
Le passage à des architectures à plus haute tension pour la charge rapide a de vastes implications pour les BEV.

"À haute tension, les avantages du SiC en termes d'efficacité sont plus prononcés que ceux de leurs homologues en silicium", a déclaré M. Veliadis. "Aujourd'hui, presque tous les fabricants de BEV conçoivent des véhicules à 400 V, où le silicium est très compétitif. En passant à des tensions plus élevées - 800 à 1 000 V, par exemple -, il est possible de charger plus rapidement tout en réduisant le poids et en améliorant l'emballage, grâce à des fils beaucoup plus fins, parce qu'une tension plus élevée signifie moins d'ampères de courant au même niveau de puissance.

Cela permet de réduire les coûts et de rendre le système global plus efficace. "Le client des VE veut des prix comparables à ceux des moteurs à combustion interne. Il y a encore du travail à faire pour y parvenir", a-t-il déclaré. "En ce qui concerne le prix du SiC par rapport à celui du silicium dans les VE, le coût plus élevé des dispositifs SiC d'aujourd'hui est compensé par la simplification globale du système apportée par les avantages du SiC, notamment une fréquence de fonctionnement plus élevée et des exigences de refroidissement réduites. En outre, l'efficacité accrue du SiC réduit le nombre de batteries, qui représentent un coût important pour les véhicules électriques. Dans l'ensemble, le SiC dans les VE est donc compétitif et peut être moins cher que les solutions au silicium. Les principaux obstacles à l'insertion massive du SiC dans les véhicules électriques sont les problèmes de fiabilité et de robustesse, ainsi que le manque de main-d'œuvre qualifiée pour mettre en œuvre les technologies.

Comme la charge rapide nécessite des architectures à tension plus élevée pour atteindre la même puissance avec des courants plus faibles (et donc un poids, un volume et un coût de câblage plus faibles), la proposition de valeur du SiC deviendra encore plus prononcée, a-t-il ajouté.

Pour faire avancer ces technologies, et en partie pour améliorer l'efficacité, les équipementiers s'intègrent de plus en plus verticalement. Cela exerce une pression sur les fournisseurs de niveau 1 et de niveau 2 pour qu'ils réduisent encore leurs coûts. Cela permet également de garantir une chaîne d'approvisionnement ininterrompue, depuis la plaquette initiale jusqu'aux dispositifs fabriqués pour répondre à la forte demande.

Cette situation suscite une vague d'investissements dans le domaine du SiC, y compris des fusions-acquisitions. "Les acquisitions dans l'industrie sont une tendance", a déclaré M. Veliadis. "Pour que les nouveaux venus puissent concurrencer efficacement et rapidement les entreprises qui ont une longue expérience de la technologie SiC, l'acquisition d'entreprises SiC qui complètent leur expertise permet de créer des synergies et d'accélérer la mise sur le marché.

Exemple : en août, onsemi a annoncé qu'elle avait conclu un accord définitif pour acquérir GT Advanced Technologies, un fabricant de technologies et de substrats de croissance cristalline du carbure de silicium (SiC).

"La tension de batterie de 400 V est courante aujourd'hui, mais il y a un besoin croissant de systèmes de batterie de 800 V pour la production à partir de 2024 ", a déclaré M. Zahn de l'onsemi. "Ces systèmes deviendront probablement la norme car ils permettent d'augmenter l'autonomie par charge en permettant une augmentation de la densité et de l'efficacité sans subir de pertes de distribution ou d'augmentation de la taille des câbles à l'intérieur de la voiture et dans les stations de recharge. Les avantages du SiC par rapport à la technologie du silicium sont encore plus évidents à la tension nominale de 1 200 V exigée par le bus de 800 V. Le SiC peut fonctionner à une fréquence de commutation plus élevée que le silicium. Le SiC peut fonctionner à une fréquence de commutation plus élevée et potentiellement à des températures plus élevées limitées par l'emballage. Compte tenu de la réussite de Tesla dans l'utilisation du SiC et de la nécessité de disposer d'une plus grande autonomie, de nombreux équipementiers sont impatients de mettre en œuvre des chaînes de traction électriques au SiC."

Conclusion
La pression exercée par les gouvernements pour réduire les émissions, associée à la popularité croissante des BEV, propulse le carbure de silicium, ainsi que d'autres matériaux à large bande interdite, sur le devant de la scène. Tout cela prend du temps, cependant, et jusqu'à présent, le SiC et le GaN sont les principaux candidats au remplacement du silicium dans certaines applications automobiles.

Tout nouveau matériau a un prix à payer en termes de rendement, de défectuosité et de divers processus de fabrication, mais le SiC présente suffisamment d'avantages pour que les constructeurs automobiles commencent à l'intégrer dans divers composants d'un véhicule électrique. L'utilisation du SiC ne devrait que croître à mesure que l'industrie automobile fait passer cette technologie dans le courant dominant, en exerçant une pression sur les prix et en résolvant les problèmes qui pourraient surgir dans la fabrication.