Siliziumkarbid-Technologie für die Leistungselektronik

Die Siliziumkarbidtechnologie hat bei den Herstellern von Leistungselektronik ein enormes Wachstum erfahren. Dieser Trend ist vor allem auf die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und den damit verbundenen Ladeinfrastrukturen zurückzuführen.

SiC ist aufgrund seiner unglaublichen Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ein hervorragendes Material für verschiedene Anwendungen.

Hohe Temperatur

Siliziumkarbid hat aufgrund seiner überlegenen Fähigkeiten in Hochtemperaturumgebungen, insbesondere seiner thermischen und elektrischen Stabilität bei Temperaturen bis zu 1.400 Grad Celsius, an Aufmerksamkeit gewonnen. Auch seine thermische und elektrische Stabilität macht es zu einer wichtigen Wahl.

Siliziumkarbid verfügt über bemerkenswerte atomare Strukturen, die ihm einzigartige Eigenschaften verleihen, so dass es höheren Temperaturen als Silizium standhalten kann. Es hat einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium; beide Eigenschaften machen es für den Einsatz in Umgebungen wie dem Motorraum von Elektrofahrzeugen geeignet.

Angesichts dieser Vorteile haben die Unternehmen damit begonnen, Siliziumkarbid in ihre Produktionsprozesse zu integrieren, einschließlich der Einrichtung zuverlässiger Lieferketten für Rohstoffe, Waferherstellung und Fertigprodukte. Dies kann dazu beitragen, die Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig die Effizienz und Qualität zu verbessern, was einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt bedeutet.

Da die Nachfrage nach Siliziumkarbid weiter steigt, suchen die Hersteller nach Möglichkeiten, die Produktionskosten zu senken und die Kundenanforderungen schneller und effizienter zu erfüllen. Eine Strategie, die sie dabei verfolgen, ist die vertikale Integration, die ihnen die Kontrolle über jeden Aspekt der Versorgung vom Rohmaterial über die Fertigung bis hin zum fertigen Gerät gibt. Darüber hinaus kann dieser Ansatz es ihnen ermöglichen, die Anforderungen der Kunden schneller und effizienter zu erfüllen.

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von porösem Siliziumkarbid, darunter das elektrochemische Ätzen von massivem SiC, die karbothermische/magnesiothermische Reduktion von Kohlenstoff-Siliziumdioxid-Verbundwerkstoffen und das Nanogießen mit Polycarbosilanen; das Nanogießen mit Polycarbosilanen scheint jedoch derzeit die vielversprechendste Methode zur Herstellung von porösem Siliziumkarbid mit ausgezeichneten Porositätseigenschaften und räumlicher Ordnung in den Mesoporen zu sein.

Siliziumkarbid ist ein grundlegendes Element in vielen fortschrittlichen elektronischen Technologien, wie z. B. Halbleitern. Es kann in rauen Umgebungen eingesetzt werden, die die physikalischen Grenzen der Siliziumtechnologie überschreiten, so dass anspruchsvollere Funktionen geschaffen werden können. In Zukunft wird Siliziumkarbid eine breite Palette neuer Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie ermöglichen, z. B. intelligente Sensoren, Leistungshalbleiter, batteriebetriebene Werkzeuge usw.

Hohe Festigkeit

Siliziumkarbid ist eines der stärksten verfügbaren keramischen Materialien und eignet sich daher ideal für ballistische Panzerungen. Es kann Geschosseinschlägen mit extremer Wirksamkeit widerstehen, bevor es in Fragmente zerfällt, und bietet so einen hervorragenden Schutz vor alltäglichen Bedrohungen wie Gewehr- oder Pistolenkugeln.

Siliciumcarbid-Sinter hat in der Regel eine Dichte von 1,55 Gramm/cm3 und einen Schmelzpunkt von 2700 Grad Celsius, was ihm im Vergleich zu keramischen Materialien wie Aluminiumoxid überlegene mechanische Eigenschaften verleiht. Darüber hinaus behält dieses Material seine Integrität auch bei hohen Temperaturen, so dass es sich für Anwendungen mit flüssigen Metallen, Heizöfen oder petrochemische Anwendungen eignet.

Aluminium hat eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und widersteht Säuren, Laugen und oxidativen Umgebungen über einen längeren Zeitraum. Daher findet man es in abriebfesten Werkzeugen, Schneid-/Schleifgeräten und Industrieöfen.

Die ausgezeichnete Wärme- und Spannungsstabilität von Siliciumcarbid macht es zu einem hervorragenden Material für elektronische Geräte, die sowohl hohe Betriebstemperaturen als auch hohe elektrische Leistungen erfordern. In Leistungshalbleitern in Autos und Flugzeugen wird in der Regel Siliziumkarbid verwendet, da es höheren Spannungen und Frequenzen standhalten kann als seine herkömmlichen Pendants.

Siliziumkarbid bietet auch für andere Elektronik und Anwendungen zahlreiche Vorteile. Da es beispielsweise höheren Temperaturen und Spannungen standhalten kann als Silizium-Halbleiter, ist es ideal für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt - Leistungselektronik für Satelliten und Raumfahrzeuge, Instrumente auf Rovern/Sonden zur Erforschung der Erde/anderer Planeten usw. (Mantooth Zetterling Rusu).

Reines SiC ist ein elektrischer Isolator, aber durch sorgfältige Zugabe von Verunreinigungen oder Dotierstoffen kann es in einen Halbleiter verwandelt werden. Aluminium-, Bor- und Galliumdotierungen erzeugen P-Halbleiter; Stickstoff- und Phosphordotierungen führen zu N-Halbleitern - diese Kombination macht SiC zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen Halbleitern in anspruchsvollen Anwendungen, da es eine höhere Bandlückenenergie und eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium aufweist.

Hohe Korrosionsbeständigkeit

Siliziumkarbid weist eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf und eignet sich daher für Umgebungen, die verschiedene korrosive Gase und Flüssigkeiten enthalten. Siliciumcarbid ist äußerst resistent gegen Säuren, Laugen und Salze und wird häufig in Entschwefelungsdüsen und Kesselkomponenten in Wärmekraftwerken eingesetzt, die starker chemischer Erosion ausgesetzt sind. Darüber hinaus widersteht die physikalische Stabilität von Siliciumcarbid selbst in Hochdruckumgebungen der Abnutzung durch Abrieb und Stöße.

Siliziumkarbidkeramik verfügt über außergewöhnliche Eigenschaften, die sie zu einer ausgezeichneten Wahl für hochentwickelte feuerfeste Materialien, Schleifmittel und Funktionswerkstoffe machen - einschließlich poröser feuerfester Auskleidungen für Kernreaktoren und Verbrennungsanlagen. Stahl ist ein unverzichtbarer Werkstoff für die Herstellung von Düsen, Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen und Desoxidationsmitteln in der Metallurgie. Darüber hinaus wird er in der Telekommunikation, der Halbleiterindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Automobiltechnik eingesetzt. Sein geringes Gewicht, seine Steifigkeit und sein Wärmeausdehnungskoeffizient erfüllen die physikalischen und optischen Anforderungen für Teleskopspiegel im Weltraum; außerdem machen ihn sein geringes Gewicht, seine Steifigkeit und sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient zu einem erstklassigen Werkstoff für die Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen auf der Erde sowie für die Instrumente von Marssonden (Mantooth, Zetterling und Rusu).

Die Korrosionsbeständigkeit von Siliziumkarbid wird durch seine Härte und Festigkeit noch verstärkt, was es äußerst widerstandsfähig gegen Beschädigungen durch andere Materialien wie Diamant macht. Bei höheren Temperaturen ist seine Festigkeit mit der von Stahl vergleichbar, während es gleichzeitig eine überragende Verschleißfestigkeit aufweist und immun gegen Risse aufgrund von Temperaturschocks ist.

SiC wird mit einer Oxidschicht überzogen, um seine Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Diese besteht in der Regel aus SiO2, kann aber durch Verunreinigungen wie Titan oder Aluminium weiter verbessert werden, um die Leistung zu steigern. Diese Beschichtungen bieten eine verbesserte Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und erfüllen gleichzeitig die Anforderungen an die strukturelle Festigkeit, die für Hochleistungsanwendungen erforderlich sind.

Die einzigartige Kombination von Eigenschaften von Siliziumkarbid - hohe Temperaturbeständigkeit, starke mechanische Eigenschaften, außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und gute elektrische Leitfähigkeit - macht es zu einem hervorragenden Material für viele industrielle Anwendungen. Aufgrund dieser vielseitigen Eigenschaften könnte Siliziumkarbid in vielen anspruchsvollen Situationen anstelle von Siliziumhalbleitern zum bevorzugten Material werden.

Hohe Stabilität

Siliziumkarbid (SiC) ist eine organische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die in der Natur in Form des seltenen Minerals Moissanit vorkommt. Seit über 100 Jahren wird es jedoch auch synthetisch hergestellt und ist eine Schlüsselkomponente in den Leistungselektronikgeräten von Littelfuse, die dazu beitragen, Energie in Elektrofahrzeugen zu sparen und den Bedarf an Ladestationen zu minimieren.

SiC-Halbleiter bieten eine höhere Zuverlässigkeit in der Leistungselektronik, da sie höheren Temperaturen und Spannungen standhalten können und weniger Fläche benötigen, um die gleiche Leistung wie größere Silizium-Halbleiter zu erzielen, was zu dünneren Bauteilen mit geringeren Leistungsverlusten und besserer Wärmeleitfähigkeit führt.

SiC unterscheidet sich von Silizium durch seine größere Energielücke, die höhere Betriebstemperaturen und -spannungen ermöglicht. Ein typischer Siliziumtransistor weist in der Regel eine Bandlücke von 1,12 eV auf; im Vergleich dazu haben SiC-Bauteile mit 3,26 eV fast den dreifachen Wert, so dass Leistungstransistoren bei deutlich höheren Temperaturen und Geschwindigkeiten als ihre Silizium-Gegenstücke betrieben werden können, was die Effizienz erhöht und die Stromübertragung beschleunigt.

Halbleiter auf Siliziumbasis mögen in der Elektronik weiterhin die Norm sein, aber der Druck von Regierungen und Verbrauchern, die Emissionen und die Reichweite von Batterien zu verringern, treibt die Innovation hin zu Materialien mit größerer Bandlücke wie SiC voran. Elektroautos dürften vom Einsatz dieser Bauelemente profitieren, die ein effizienteres Aufladen ermöglichen und die Lebensdauer der Batterie mit weniger Komponenten verlängern.

Siliciumcarbid gibt es in verschiedenen polymorphen Formen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen. Von allen eignet sich 4H-SiC mit seiner hexagonalen Struktur aufgrund seiner überlegenen Reinheit und Stabilität bei hohen Temperaturen am besten für Anwendungen in der Leistungselektronik.

Die vielfältigen Vorteile von Siliziumkarbid machen deutlich, warum Siliziumkarbid die Leistungselektronik und unseren Umgang mit Energie - von Haushaltsgeräten bis hin zu Ladestationen für Elektrofahrzeuge - rasch revolutioniert. Wolfspeed, einer der führenden Hersteller von SiC-Basiswafern, hat sich verpflichtet, diese revolutionäre Technologie bis 2024 auf eine Vielzahl neuer Anwendungen auszuweiten.