SiC-försäljningen tog fart under förra året. Läs mer om vad som kom fram på SCAPE-konferensen under våren 2022 i Stockholm.

Det var egentligen under förra året som försäljningen ökade kraftigt. Clair Troadec, Yole, berättar att SiC-halvledare då hade 5 procents marknadsandel. Då började även galliumnitriden avsätta sig i statistiken.

Marknadsutvecklingen kommer att vara intensiv under de närmaste åren. År 2027 väntas SiC utgöra 23 procent och GaN 7 procent, enligt Yole.

SiC tar successivt över marknadsandelar från Si och GaN-utvecklingen har startat. (Illustration: Yole Développement)

Utvecklingen av SiC drivs framför allt av EV/HEV (elbilar/hybridbilar). Även användningen inom energi, industrin och transport ökar. (Illustration: Yole Développement)

GaN blir verklighet
IR lanserade sin första GaN-transistor år 2010. Därpå skedde en dramatisk tid då företag köptes upp, samarbeten inleddes och stora ekonomiska satsningar genomfördes. Under de senaste fem åren har 2,5 miljarder dollar satsats på GaN-utveckling.

Särskilt i små laddare används nu GaN för att minska formatet: Tack vare att högre frekvenser möjliggjordes kunde transformatorer/induktorer minskas i omfång.

GaN-marknaden för effekttransistorer väntas nå 2 miljarder dollar år 2027. Mobil- och konsumentmarknaden dominerar och har den största tillväxten.

STM nu störst
I angiven ordning är STMicroelectronics nu störst på SiC-marknaden, följt av Infineon, Wolfspeed, Rohm, ON semi och Mitsubishi.

Idag dominerar produktion på 6 tums wafer. Produktionen på 8 tum har inletts och kommer år 2027 att uppgå till ungefär en sjättedel av den totala SiC-produktionen.

SiC klarar betydligt högre temperaturer än Si. Det leder till krav på ny kapslingsteknik. Material som Si₃N₄ måste användas och bondtrådar ersättas av ledningsmönster i form av ”lead frame” eller ”flexible foils”.

Trender – just nu
Hiroshi Yamaguchi inledde sessionerna med att tala i ämnet dagens trender inom effekthalvledare och moduler i SiC. Han företräder Advanced Power Electronics Research center och National Insitute of advanced industrial science and technology i Japan.

Generellt sett är SiC mycket bättre än Si vad gäller on-resistans (mindre än en hundradel så hög resistans som Si). SiC är snabbare (flera hundra gånger snabbare) och tål högre spänning (maximalt över 10 kV) samt tål högre junction-temperaturer.

Snabbare kommersialisering
Dr Viktor Veliadis, Power America uttryckte fördelarna med SiC annorlunda: SiC har 3 ggr större bandgap, 10 ggr högre frekvens, 3 ggr högre smältpunkt, 3 ggr så hög termisk konduktivitet, 10 ggr högre spänning och 1/10 så stora förluster som Si.

GaN visar upp liknande siffror men har en termisk konduktivitet som är ungefär som för Si.

Herbert Pairitsch, Infineon Technologies, beskrev hur effekthalvledare i Si, SiC och GaN kommer att utvecklas. Medan SiC passar för temperaturer från 650 V upp till 10 kV hamnar GaN-komponenter i ett speciellt segment, mellan 100 – 900 V. Kiselkomponenterna ligger kvar i området 15 – 650 V. Visserligen finns det kiselkomponeter för högre spänningar, men de kommer att konkurreras ut av SiC.

Si är tillförlitligt, stabilt, billigt, ger möjlighet till stora strömmar och bygger på en stor, traditionell kunskapsbas.

GaN ger högfrekvensegenskaper till lågt kostnad.

SiC är effektivt och tål hög ström och klarar högre frekvenser än Si.

PECTA-engagemang
Halvledare med brett bandgap är dyrare än motsvarande kiselhalvledare, men systemkostnaderna är mindre, sammanfattar Car-Mikael Zetterling, professor på KTH och medlem i IEA 4E PECTA. Han berättar om några svenska lyckade projekt:
– Växjöföretaget Micropower, startat 1984, har sedan 2016 använt SiC-transistorer i sin produktion. 130 000 transistorer (1200 V/80 mohm) används i företagets aggregat för batteriladdning.
Framför allt bidrar kiselkarbidkomponenterna till 60 procent högre uteffekt och verkningsgraden har stigit från 94 till 96 procent. Typiskt ger det 6 600 kWh i besparing i 10 kW laddare under 30 000 timmar.

I mobila röntgensystem har förlusterna minskats till hälften. Bildkvaliteten har ökats tack vare kortare stig- och falltider.

Ytterligare ett exempel kommer från Powerbox som tack vare en övergång till SiC-komponenter kunnat minska förlusterna från 200 till 75 W i en 1200 V spänningsomvandlare (DC/DC).

4E PECTA bildades under första oljekrisen, år 2074.

Lång tradition
Den årliga konferensen hölls inte pandemiåren 2020 och 2021. Men i år återkom konferensen och den var välbesökt. RISE, WBG Power Center, Yole Développement och Energimyndigheten var arrangörer.

Forskaren Mietek Bakowski ledde som vanligt konferensen, som varade i tre dagar där den första dagen utgjorde renodlad undervisning medan de följande utgjorde ”workshop”.

Konferensen hette från början SICPEAW, sedan iSICPEAW. I och med att SiC kompletterades med GaN fick konferensen namnet IWBGPEAW, men det svåruttalade namnet ersattes sedan med SCAPE.

Filed under: Specialartiklar