Il rapporto IDTechEx "Power Electronics for Electric Vehicles 2025-2035: Technologies, Markets, and Forecasts" valuta i vantaggi e le potenziali sfide derivanti dall'utilizzo di substrati ingegnerizzati per l'elettronica di potenza dei veicoli elettrici, come la scalabilità, i volumi di produzione e le prestazioni.
I substrati ingegnerizzati potrebbero ridurre il costo complessivo dei MOSFET in SiC diminuendo la quantità di SiC monocristallino per dispositivo e potrebbero aumentare la tensione di picco degli HEMT in GaN, offrendo vantaggi per l'utilizzo nella trazione dei veicoli elettrici. Inoltre, la loro ampia disponibilità aumenterà i volumi di produzione e ridurrà i tempi di consegna, poiché la crescita epitassiale è lenta e i substrati ingegnerizzati possono essere prodotti in serie. Per il GaN, i nuovi dispositivi verticali avranno una maggiore densità di potenza, mentre per il SiC, le aree del die saranno ridotte, aumentando anch'esse la densità di potenza. Va notato che questa è una panoramica generale di ciò che potrebbe accadere, basata su un'analisi di IDTechEx. Fonte: IDTechEx
Tradizionalmente, i substrati sono sottili dischi di materiale semiconduttore monocristallino su cui vengono cresciuti dispositivi come MOSFET e IGBT. Poiché la crescita epitassiale del semiconduttore si basa su questa struttura, idealmente il substrato dovrebbe essere costituito dallo stesso cristallo dell'epitassia (omoepitassia), ad esempio un substrato di silicio per dispositivi al silicio, e così via. Per i MOSFET e gli IGBT al silicio utilizzati nell'elettronica di potenza dei moduli automobilistici, come caricabatterie di bordo, inverter di trazione e convertitori DC-DC, i substrati di silicio rappresentano la scelta ideale. Tra i fornitori globali figurano SUMCO, Shin-Etsu e GlobalWafers, e in definitiva si tratta di una tecnologia matura, affidabile ed economicamente vantaggiosa.
Aumento dei volumi di MOSFET in SiC con substrati ingegnerizzati
Il mercato dei wafer di SiC ha recentemente iniziato a globalizzarsi e, a partire dal 2023, circa il 75% dei wafer di SiC sarà prodotto negli Stati Uniti. Con l'espansione in Europa e Cina di aziende come Wolfspeed e STMicroelectronics, l'emergere di altre aziende produttrici di wafer di SiC e il passaggio da substrati da 150 mm a quelli da 200 mm, si prevede che il mercato diventerà più competitivo, con conseguente riduzione dei costi.
Parallelamente a questi progressi, le aziende stanno creando substrati ingegnerizzati per dispositivi di potenza in SiC. Questi sfruttano generalmente le tecnologie silicio su isolante (SOI) e consistono in uno strato di SiC policristallino legato a un sottile strato di SiC monocristallino (un wafer di SiC è tipicamente realizzato interamente in SiC monocristallino). Tra le aziende che utilizzano una variante di questa tecnologia figurano Soitec, che ha già annunciato collaborazioni con X-FAB e STMicroelectronics, e Sicoxs (una filiale di Sumitomo Metal Mining), che attualmente commercializza substrati di SiC ingegnerizzati da 6 pollici e prevede la produzione di massa entro l'anno fiscale 2025.
Con la globalizzazione del mercato dei substrati in SiC e il crescente numero di operatori, i produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore automobilistico sono alla ricerca di grandi volumi di MOSFET in SiC per creare propulsori efficienti, in grado di aumentare l'autonomia di un veicolo fino al 7% rispetto agli IGBT in Si. In termini di volume e costi, i substrati ingegnerizzati offrono vantaggi e possono portare a volumi di produzione di un ordine di grandezza superiori rispetto alla produzione senza substrati ingegnerizzati, utilizzando la stessa quantità di SiC monocristallino. Per creare i substrati ingegnerizzati, si prepara un wafer di SiC policristallino meccanicamente resistente, attraverso fasi che includono la molatura e la lucidatura per ottenere una superficie piana. Un sottilissimo strato di substrato di SiC monocristallino viene quindi saldamente incollato a questo wafer policristallino. Dopo la lavorazione, l'attivazione e l'ispezione, il substrato ingegnerizzato è pronto e il wafer monocristallino rimanente viene riutilizzato per produrre altri substrati ingegnerizzati.
Il risultato è una riduzione dei costi, poiché i substrati in SiC rappresentano fino al 50% del costo totale di un dispositivo, e un aumento del volume, dato che un singolo wafer monocristallino di SiC può ora produrre da 10 a 50 substrati. È stato inoltre dimostrato che i substrati ingegnerizzati presentano una minore "resistenza di connessione" sull'intera superficie del substrato, con conseguente minore generazione di calore per unità di area e la possibilità di produrre un maggior numero di chip per substrato.
Sebbene i substrati in SiC ingegnerizzati abbiano del potenziale, la produzione di massa è ancora lontana un paio d'anni e permangono interrogativi sulla loro principale strategia di commercializzazione. Ad esempio, le aziende potrebbero concedere in licenza il processo di incollaggio, collaborare con fonderie o produttori di dispositivi per produrre substrati su larga scala, oppure fornire in prestito le attrezzature necessarie. I cicli di progettazione e i tempi di consegna nel settore automobilistico sono notoriamente lunghi, e si estendono per diversi anni. Inoltre, affinché questi processi siano adatti alla produzione di dispositivi per veicoli elettrici, sono necessari requisiti molto rigorosi e test approfonditi.
Substrati progettati per rendere il GaN utilizzabile negli inverter di trazione
: con il SiC già impiegato nell'elettronica di potenza dei veicoli elettrici, la commercializzazione su larga scala di substrati appositamente progettati contribuirebbe ad accelerare tale sviluppo. Nel caso del GaN, diverse aziende, come Vitesco e VisIC Technologies, intendono lanciare prodotti GaN ad alta tensione per applicazioni automobilistiche, ma gli ostacoli sono leggermente diversi. IDTechEx è a conoscenza di una sola azienda, Odyssey Semiconductor, che produce substrati GaN in grandi quantità per dispositivi GaN. Nel maggio 2024 è stata acquisita da Power Integrations, ma resta da vedere se i substrati GaN potranno essere prodotti in modo affidabile ed economicamente vantaggioso.
Storicamente, i substrati di silicio sono stati utilizzati per la crescita di dispositivi GaN (eteroepitassia) e quasi tutti i dispositivi in commercio utilizzano substrati di silicio. Poiché i substrati di silicio sono già prodotti in serie per i dispositivi a base di silicio, il loro utilizzo per i transistor GaN sembra ovvio. Gli strati tampone gestiscono la distorsione e il disadattamento reticolare tra il GaN epitassiale e il substrato di silicio, migliorando la robustezza. Tuttavia, il GaN può essere cresciuto solo in strati sottili su substrati di silicio, con conseguente maggiore difettosità rispetto al GaN omoepitassiale e ai dispositivi GaN laterali a tensione limitata.
Affinché il GaN possa essere utilizzato negli inverter di trazione, i dispositivi devono essere in grado di mantenere tensioni e livelli di potenza elevati per periodi prolungati, un aspetto in cui le attuali tecnologie GaN presentano delle lacune. Le alternative includono GaN su zaffiro e GaN su SiC, che possono produrre dispositivi a tensioni più elevate ma sono incompatibili con i processi CMOS, sono costosi e presentano altri problemi di manipolazione e di prestazioni termiche. I substrati di GaN ingegnerizzati mitigano questi problemi creando un substrato che minimizza il disallineamento della griglia e allinea il coefficiente di dilatazione termica con quello del GaN per produrre strati epitassiali di GaN più spessi per dispositivi verticali che superano i 1200 V. Questo è l'approccio adottato dall'azienda senza stabilimento Qromis, con la sua QST (Qromis Substrate Technology). Adattando le proprietà fisiche del substrato al GaN, i dispositivi avranno bassi tassi di difettosità e minimizzeranno le rotture. Inoltre, mentre gli attuali dispositivi GaN sono cresciuti su substrati di Si da 150 mm, i substrati ingegnerizzati sono scalabili, consentendo la crescita del GaN su substrati da 200 mm e, in futuro, da 300 mm. Nel tempo, ciò aumenterà i volumi di produzione e ridurrà il costo per dispositivo.
Dato che i substrati di GaN sono attualmente proibitivamente costosi, l'approccio migliore è quello di produrre qualcosa di quanto più simile possibile al GaN, che è l'obiettivo dei substrati ingegnerizzati. I substrati di Si sono economicamente vantaggiosi se si garantiscono grandi volumi, ma faticano a soddisfare le esigenze dell'elettronica di potenza ad alta tensione con la tecnologia attuale. Substrati alternativi, come SiC e zaffiro, presentano altri svantaggi, quindi i substrati ingegnerizzati potrebbero essere una tecnologia chiave per consentire al GaN di entrare nel mercato dell'elettronica di potenza per veicoli elettrici. Tuttavia, IDTechEx non è a conoscenza di alcun piano di adozione da parte dei produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore automobilistico o dei fornitori di primo livello (Tier 1).
Autore: John Li, analista tecnologico presso IDTechEx
