Il carburo di silicio (SiC), materiale di base dei semiconduttori di terza generazione, sta rivoluzionando profondamente diversi settori grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche ed elettriche. La tabella seguente riassume le sue principali applicazioni e i suoi vantaggi per una rapida panoramica:
Aree di applicazione Principali scenari applicativi Vantaggi del carburo di silicio (SiC) Esempi di prodotti/tecnologie correlati
Veicoli a nuova energia Inverter di azionamento principale, caricabatterie di bordo (OBC), convertitore CC-CC Migliora l’efficienza, aumenta l’autonomia di guida (secondo quanto riferito fino al 6% 8) e riduce il peso e il volume del sistema Moduli SiC ibridi1, MOSFET SiC
Infrastruttura di ricarica Stazioni di ricarica rapida CC Migliorano l’efficienza di ricarica, supportano la ricarica rapida ad alta potenza e riducono i tempi di ricarica
Generazione di energia fotovoltaica e accumulo di energia Inverter fotovoltaici, convertitori di accumulo di energia (PCS) Migliorano l’efficienza di conversione fotoelettrica (secondo quanto riferito i diodi SiC possono aumentare dall’1,5% al 2% rispetto ai sistemi basati sul silicio 6), riducono le perdite di sistema e aumentano la densità di potenza Diodi SiC6, MOSFET SiC
Alimentatori industriali e data center Alimentatori per server, alimentatori per telecomunicazioni, gruppi di continuità (UPS) Migliorano l’efficienza energetica, aumentano la densità di potenza e riducono il consumo energetico e i requisiti di dissipazione del calore SiC da 650 V di Toshiba Dispositivi RF e comunicazioni MOSFET
5G Amplificatori di potenza RF, filtri, ecc. Dispositivi semiconduttori RF semiisolanti basati su carburo di silicio con eccellenti prestazioni ad alta frequenza, alta temperatura e alta potenza.
Dispositivi indossabili intelligenti e guide d’onda ottiche/AR: guide d’onda diffrattive per occhiali AR e lenti ultrasottili. L’elevato indice di rifrazione, l’elevata durezza e l’elevata conduttività termica consentono ampi campi visivi, immagini a colori, eliminano gli artefatti ottici e contribuiscono all’assottigliamento e al peso ridotto dei dispositivi (ad esempio, lenti AR sottili da 0,55 mm) e alla riduzione dei costi (si prevede che i costi dei substrati diminuiranno significativamente in futuro). Substrati semi-isolanti ad alta purezza realizzati con lingotti di carburo di silicio da 12 pollici e guide d’onda diffrattive in carburo di silicio ultrasottili.
Trasporto ferroviario e reti intelligenti: convertitori di trazione, trasformatori elettronici di potenza (PET) e trasmissione in corrente continua ad alta tensione. L’elevata tensione di tenuta e le basse perdite migliorano l’efficienza e l’affidabilità del sistema.
Principali tipi di dispositivi al carburo di silicio
Il carburo di silicio viene utilizzato principalmente nell’industria dei semiconduttori per realizzare i seguenti dispositivi, che costituiscono la base per le applicazioni sopra menzionate:
MOSFET al carburo di silicio (transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido metallico): particolarmente adatti per applicazioni ad alta frequenza, alta tensione e alta efficienza, come l’inverter principale dei veicoli a nuova energia. La tecnologia attuale ha consentito una bassa resistenza di conduzione (ad esempio, la piattaforma MOS SiC di terza generazione di Yangjie Technology vanta una resistenza di conduzione inferiore a 3,33 mΩ.cm²³) e un funzionamento ad alta temperatura (ad esempio, la serie MOSFET CoolSiC™ G2 di Infineon può funzionare normalmente a 175 °C e a 200 °C in condizioni di sovraccarico).
Diodi al carburo di silicio (principalmente diodi a barriera Schottky (SBD)): caratterizzati da una corrente di recupero inversa praticamente nulla, sono particolarmente adatti per applicazioni di commutazione ad alta frequenza, come inverter fotovoltaici e caricabatterie di bordo, riducendo significativamente le perdite di commutazione.
Moduli in carburo di silicio: più chip in carburo di silicio (come MOSFET e diodi) vengono integrati e confezionati per formare un modulo di potenza. Ad esempio, il modulo di azionamento principale per i veicoli a nuova energia (NEV) offre vantaggi quali una maggiore densità di potenza e una maggiore affidabilità.
🔧 I principali vantaggi del carburo di silicio
La capacità del carburo di silicio di realizzare queste rivoluzioni deriva dalle sue eccezionali proprietà materiali:
Elevata intensità del campo di rottura: ciò consente ai dispositivi in carburo di silicio di funzionare a tensioni più elevate, rendendoli adatti ad applicazioni ad alta tensione.
Elevata conduttività termica: facilita la dissipazione del calore, consentendo ai dispositivi di funzionare a temperature più elevate e semplificando i sistemi di raffreddamento.
Elevata velocità di deriva della saturazione degli elettroni: consente ai dispositivi SiC di funzionare a frequenze più elevate, riducendo così le dimensioni e il peso dei componenti passivi (come induttori e condensatori) nel sistema.
Ampio bandgap: fornisce ai dispositivi SiC un’eccellente stabilità alle alte temperature e resistenza alle radiazioni.
🌐 Stato attuale dello sviluppo dell’industria SiC
L’industria del SiC sta vivendo una rapida crescita ed espansione:
Crescita continua del mercato: si prevede che il mercato dei dispositivi di potenza SiC supererà i 10,3 miliardi di dollari entro il 2030, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) superiore al 20% nei prossimi cinque anni.
Aggiornamenti tecnologici: le dimensioni dei wafer stanno passando dai tradizionali 6 pollici a quelli da 8 pollici (che possono ridurre i costi unitari di oltre il 30%) e da 12 pollici.
Miglioramento graduale della catena industriale: le aziende nazionali stanno attivamente sviluppando e facendo progressi nei substrati, nell’epitassia, nella progettazione dei dispositivi, nella produzione e nel confezionamento dei moduli.
Andamento dei costi: con i miglioramenti nella qualità dei materiali, le dimensioni maggiori dei wafer, i processi di produzione migliorati e l’espansione della scala industriale, il costo dei dispositivi in carburo di silicio sta gradualmente diminuendo, aprendo la strada a un’applicazione su larga scala in una gamma più ampia di settori.
💎 Riepilogo
Grazie alle loro superiori proprietà fisiche ed elettriche, i semiconduttori in carburo di silicio stanno diventando un motore chiave per l’innovazione e l’aggiornamento nei veicoli a nuova energia, nelle energie rinnovabili, negli alimentatori industriali, nelle comunicazioni 5G e nell’elettronica di consumo. Sebbene l’attuale costo di produzione dei dispositivi in carburo di silicio (in particolare i MOSFET) sia relativamente elevato e i requisiti di processo siano rigorosi, con i continui progressi tecnologici, il continuo sviluppo del settore e la continua espansione, si prevede un’ulteriore riduzione dei costi e le loro prospettive applicative sono promettenti.