Die Entwicklung von Leistungshalbleitern, die die Förderung von GX und die Verbreitung von Elektrofahrzeugen unterstützen. Dieser Artikel untersucht den aktuellen Stand der Materialentwicklung, die dieser Evolution zugrunde liegt.

Leistungshalbleiter der nächsten Generation mit SiC und GaN

Minamikawa: Leistungshalbleiter, die neue Materialien wie SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Gallium-Nitrid) verwenden, haben die Energieumwandlungseffizienz auf etwa 97-98% verbessert, zum Beispiel. Eine Verbesserung von 1% bis 2% ist ein bedeutender Unterschied.

SiC wurde erstmals von Tesla in großen Mengen produziert. Die Temperaturbeständigkeitsgrenze von gewöhnlichem Silizium liegt bei etwa 125 Grad, während SiC dafür ausgelegt ist, bis zu 250 Grad standzuhalten. Das bedeutet, dass SiC-Leistungshalbleiter selbst in heißen Bereichen wie dem Maschinenraum eines Autos nahe am Motor platziert werden können. Dies kann den Formfaktor (Faktoren, die Form und Größe bestimmen) reduzieren und ist daher sehr vorteilhaft.

GaN (Gallium-Nitrid) zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, bei hohen Frequenzen zu arbeiten. Der Betrieb bei hohen Frequenzen verbessert die Effizienz der Energieumwandlung von Wechselstrom (AC) zu Gleichstrom (DC), von Gleichstrom (DC) zu Wechselstrom (AC) und bei der Frequenzumwandlung.

Sie sind vorteilhaft zur Verbesserung der Effizienz der Stromversorgung und tragen auch zur Miniaturisierung von PC-Netzteilen bei.

Derzeit wird gesagt, dass SiC 5 bis 6 Mal so teuer ist wie herkömmliches Silizium und GaN 7 bis 8 Mal so teuer. Der Markt ist noch begrenzt, aber ich glaube, dass sich mit dem Beginn der Massenproduktion und dem Sinken der Preise das Anwendungsspektrum erweitern wird.

ABE: Das ist richtig. Aus der Perspektive der Materialien haben SiC und GaN eine Entwicklungsgeschichte, die die Herausforderungen des stabilen Kristallwachstums angesprochen hat.

Namikawa: Was sind Ihrer Meinung nach die Schlüsselpunkte bei der Entwicklung von Materialien für Leistungshalbleiter?

Abe: TANAKA PRECIOUS METAL GROUP ist seit langem in der Halbleiterverpackungsmaterialien tätig. Begonnen mit Bonding-Draht hat sich das Engagement der Gruppe nun auf Materialien für das Die-Bonding und aktive Lötfüllmetalle ausgeweitet.

Basierend auf diesem Wissen glauben wir, dass sowohl die Wärmeabfuhr als auch die Zuverlässigkeit für Materialien, die in Leistungshalbleitern verwendet werden, wichtig sind.

Die neu aufkommenden Materialien SiC und GaN haben andere physikalische Eigenschaften als Silizium. Zum Beispiel wird gesagt, dass Silizium bei der Verarbeitung auf die Dicke eines Chips flexibel ist, während SiC hart ist.

Wenn Chips gewürfelt und schließlich mit Substraten verbunden werden, kann es, wenn das Substrat hart ist, aufgrund von Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu unzureichender Spannungsentspannung kommen, was zu Lücken und Hohlräumen (Kavitäten) zwischen den Chips und den Substraten führen kann. Hohlräume können die Dichte der Bindeschicht und damit die Wärmeableitung und Zuverlässigkeit der Chips beeinträchtigen.

Ich glaube, dass der entscheidende Punkt bei der Entwicklung von Materialien der nächsten Generation darin besteht, die Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, indem Relaismaterialien und Bindematerialien für Chips und Substrate mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften optimiert werden.

Minamikawa: Sicherlich werden Leistungshalbleiter oft über lange Zeiträume verwendet. Im Fall der Solarstromerzeugung wird gesagt, dass die Lebensdauer von Modulen 15 Jahre beträgt, und sie sollten mindestens so lange halten. Zuverlässigkeit ist in der Tat sehr wichtig.

Abe: Darüber hinaus kann SiC aufgrund seiner hohen Spannungsfestigkeit die Chipgröße bei gleichem Strom und Spannung reduzieren. Es wird gesagt, dass Chips im Vergleich zu Silizium ein Drittel bis ein Viertel der Größe bei gleicher Spannungsfestigkeit haben können. Allerdings erleichtert die Miniaturisierung die Ansammlung von Wärme, was den Bedarf an Wärmeableitung erhöht. Ich glaube, dass die Entwicklung von Materialien für Leistungshalbleiter der nächsten Generation sich auf Wärmeableitung, niedrigen Widerstand und Zuverlässigkeit konzentrieren wird.

Namikawa: Die Materialentwicklung erfordert Ausdauer. Ich glaube, dass es größtenteils darum geht, viel Zeit zu investieren und die Entwicklung stetig fortzusetzen. Dies ist ein Bereich, in dem japanische Unternehmen hervorragend sind, daher denke ich, dass Japan eine wichtige Position in der Leistungshalbleiterindustrie einnimmt.

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