Kisméretűek, nagyteljesítményűek és rendkívül hatékonyak: ezek a szilícium-karbid (SiC) félvezetők legfontosabb jellemzői.

Többévnyi fejlesztést követően a Bosch megkezdi ezekből az innovatív anyagból készülő termékek sorozatgyártását, világszerte kiszolgálva az autógyártók igényeit. A jövőben egyre több sorozatgyártású gépkocsiban jelenhetnek meg ezek a chipek.

„Nagy jövő előtt állnak a szilícium-karbid félvezetők, a mi célunk pedig, hogy világelsők legyünk az elektromobilitás SiC-chipjeinek előállításában”

– emelte ki Harald Kröger, a Robert Bosch GmbH igazgatóságának tagja.

A Bosch két évvel ezelőtt jelentette be, hogy a SiC-chipek gyártásába kezd. Ehhez saját, olyan rendkívül összetett gyártási eljárásokat fejlesztett ki, amelyeket már 2021 óta alkalmaz a speciális félvezetők gyártásában.

„Az elektromobilitás térhódításának köszönhetően kiemelkedően magas a termék iránti igény”

– számolt be Harald Kröger.

A jövőben a Bosch százmillió darabos nagyságrendűre növeli a SiC-teljesítmény-félvezetői gyártókapacitását, ezért bővíti a reutlingeni gyár tisztahelyiségeit. Ezzel párhuzamosan már a második generációs SiC-chipek fejlesztése is zajlik, amely még hatékonyabb technológiával rendelkezik és a sorozatgyártás várhatóan 2022-től kezdődhet el. A SiC-félvezetők innovatív gyártási folyamatainak fejlesztéséhez a Bosch az „IPCEI (Important Project of Common European Interest)” projekt „Microelectronics (Mikroelektronika)” program részeként a Német Gazdasági és Energiaügyi Minisztérium (BMWi) támogatásában részesült.

„Több éve támogatjuk a félvezetőgyártás németországi meghonosítását. A Bosch rendkívül innovatív félvezetőgyártása tovább erősíti az európai mikroelektronikai ökoszisztémát, egyben újabb lépés a függetlenség felé a digitalizációnak ezen a kulcsfontosságú területén”

– hangsúlyozta Peter Altmaier, Németország gazdasági minisztere.

Az anyag, amiből az álmok életre kelnek

Világszerte nő a szilícium-karbid teljesítmény-félvezetők iránti kereslet. A Yole piackutató és tanácsadó cég előrejelzése szerint a szilícium-karbid-piac 2025-re átlagosan évi 30 százalékkal bővül és 2,5 milliárd dollár (USD) fölötti forgalomra számítanak, amelynek legnagyobb részét 1,5 milliárd dollár körüli összeggel várhatóan a SiC-járműpiac teszi majd ki.

„A szilícium-karbid teljesítményfélvezetőkkel különösen hatékonyan használható ki a rendelkezésre álló energia. Ezek az előnyök az olyan energiaigényes alkalmazások során érvényesülhetnek igazán, mint például az elektromobilitás”

– mutatott rá Harald Kröger.

Az elektromos járművek teljesítmény-elektronikájában a szilícium-karbid chipek gondoskodhatnak arról, hogy ezek a modellek lényegesen több kilométert tegyenek meg egy-egy akkumulátortöltéssel – átlagosan mintegy hat százalékkal többet, mint tiszta szilícium társaikkal. Az ilyen típusú félvezetők iránti folyamatosan növekvő kereslet miatt már 2021-ben további 1000 négyzetméterrel növelték az elektronikai lapkák (wafer) reutlingeni Bosch gyárában a tisztahelyiségek teljes alapterületét, amelyet 2023 végéig további 3000 négyzetméternyi területtel bővít a vállalat. Az új létesítményben a legkorszerűbb gyártóberendezések kapnak helyet, amelyeken saját fejlesztésű eljárásokkal készülhetnek a szilícium-karbid félvezetők. A Bosch félvezetőszakértői több évtizedes chipgyártási tapasztalataikra építhetnek. A jövőben a vállalat – egyetlen autóipari beszállítóként, amely maga állít elő szilícium-karbid chipeket – 200 milliméteres elektronikai lapkán (wafer) tervezi a félvezetők gyártását, amely jelentős méretgazdaságossági előnyöket kínál a jelenlegi 150 milliméteres lapkákhoz viszonyítva. Több hónapba telik, amíg egyetlen wafer áthalad a számtalan gépen elvégzett több száz gyártási műveleten.

„Nagyobb lapkákon lényegesen több chipet tudunk gyártási ciklusonként előállítani, így több vevőnket szolgálhatjuk ki”

– tette hozzá Harald Kröger.

Parányi atom, óriási hatás

A SiC chipek lenyűgöző teljesítményének titka egy apró szénatomban rejlik, amit a félvezetők gyártására általában használt nagytisztaságú szilícium kristályszerkezetébe juttatnak, különleges fizikai tulajdonságokkal ruházva fel az alapanyagot. A szilícium-karbid félvezetők például magasabb kapcsolási frekvenciákat tesznek lehetővé, mint a tiszta szilícium chipek, miközben csupán feleannyi energia megy hő formájában veszendőbe – így növelve az elektromos járművek hatótávját. A chipek a 800 voltos rendszerek számára is fontosak, gyorsabb töltést és jobb teljesítményt tesznek lehetővé. Mivel a SiC chipek lényegesen kevesebb hőt adnak le, a teljesítmény-elektronika komplex hűtőrendszere is egyszerűsíthető, tömegük mellett hatékonyan mérsékelve az elektromos gépkocsik árát is. A jövőben a Bosch világszerte szállít vevőinek szilícium-karbid teljesítmény-félvezetőket, akár egyedi chipek formájában, akár teljesítmény-elektronikába vagy épp olyan komplett megoldásokba építve, mint például az e-tengely. Az elektromos motor, a sebességváltó és a teljesítményelektronika kombinációjának hatásfoka a teljes rendszer hatékonyabb kialakításának köszönhetően akár a 96 százalékot is elérheti, így több energia fordítható a hajtásra, azaz bővül a hatótáv.