Kisméretűek, nagyteljesítményűek és túlságosan hatékonyak: ezek a szilícium-karbid (SiC) félvezetők legszámottevőbb tulajdonságai. Többévnyi fejlesztést követően a Bosch megkezdi ezekből az továbbfejlesztett anyagból készülő produktumok sorozatgyártását, nemzetközileg kiszolgálva az autógyártók igényeit. Az elkövetkezendő időszakokban egyre több sorozatgyártású autóban jelenhetnek meg ezek a chipek. „Nagy jövő előtt állnak a szilícium-karbid félvezetők, a mi célunk ugyanakkor, hogy világelsők legyünk az elektromobilitás SiC-chipjeinek előállításában” – emelte ki Harald Kröger, a Robert Bosch GmbH igazgatóságának tagja. A Bosch két évvel ezelőtt fedte fel, hogy a SiC-chipek gyártásába kezd. Ehhez saját, olyan jócskán összetett gyártási eljárásokat fejlesztett ki, amelyeket már 2021 óta alkalmaz a kivételes félvezetők gyártásában. „Az elektromobilitás térhódításának hála kiemelkedően magas a portéka iránti igény” – számolt be Harald Kröger. A következő években a Bosch százmillió darabos nagyságrendűre növeli a SiC-teljesítmény-félvezetői gyártókapacitását, így bővíti a reutlingeni üzem tisztahelyiségeit. Ezzel párhuzamosan már a második generációs SiC-chipek fejlesztése is zajlik, amely még hatékonyabb technológiával büszkélkedhet és a sorozatgyártás várhatóan 2022-től kezdődhet el. A SiC-félvezetők modernizált 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 alaposan továbbfejlesztett félvezetőgyártása tovább erősíti az európai mikroelektronikai ökoszisztémát, egyben újabb lépés a függetlenség felé a digitalizációnak ezen a kulcsfontosságú területén” – nyomatékosította Peter Altmaier, Németország gazdasági minisztere.
Az anyag, amiből az álmok életre kelnek
Az egész világon nő a szilícium-karbid teljesítmény-félvezetők iránti kereslet. A Yole piackutató és tanácsadó társaság előrejelzése alapján a szilícium-karbid-piac 2025-re átlagosan évi 30 százalékkal bővül és 2,5 milliárd dollár (USD) fölötti forgalomra számítanak, aminek legnagyobb részét 1,5 milliárd dollár körüli összeggel várhatóan a SiC-járműpiac teszi ezután ki. „A szilícium-karbid teljesítmény-félvezetőkkel különösen eredményesen hasznavehető ki a rendelkezésre álló energia. Ezek az előnyök az olyan energiaigényes alkalmazások alatt érvényesülhetnek igazán, akárcsak 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 csaknem hat százalékkal többet, mint tiszta szilícium társaikkal. Az ilyen típusú félvezetők iránti állandóan növekvő kereslet okán már 2021-ben újabb 1000 négyzetméterrel növelték az elektronikai lapkák (wafer) reutlingeni Bosch gyárában a tisztahelyiségek egész alapterületét, amit 2023 végéig újabb 3000 négyzetméternyi területtel bővít a cég. A modern létesítményben a legújabb gyártóberendezések kapnak helyet, amelyeken saját fejlesztésű eljárásokkal készülhetnek a szilícium-karbid félvezetők. A Bosch félvezető-szakértői több évtizedes chipgyártási tapasztalataikra építhetnek. A következő években a cég – egyetlen autóipari beszállítóként, amely maga állít elő szilícium-karbid chipeket – 200 milliméteres elektronikai lapkán (wafer) tervezi a félvezetők gyártását, amely nagymértékű méretgazdaságossági előnyöket ígér az aktuális 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, ezáltal több vevőnket szolgálhatjuk ki” – tette hozzá Harald Kröger.
Parányi atom, hatalmas impulzus
A SiC chipek döbbenetes teljesítményének titka egy apró szénatomban rejlik, melyet a félvezetők gyártására jellemzően használt nagytisztaságú szilícium kristályszerkezetébe juttatnak, jellegzetes fizikai tulajdonságokkal ruházva fel az alapanyagot. A szilícium-karbid félvezetők példaként magasabb kapcsolási frekvenciákat tesznek lehetővé, mint a tiszta szilícium chipek, míg mindössze feleannyi energia megy hő formájában veszendőbe – mindent összevetve növelve az elektromos járművek hatótávját. A chipek a 800 voltos rendszerek részére 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 eredményesen mérsékelve az elektromos gépjárműk árát is. Az elkövetkezendő időszakokban a Bosch az egész világon szállít vevőinek szilícium-karbid teljesítmény-félvezetőket, akár speciális chipek formájában, akár teljesítmény-elektronikába vagy épp olyan komplett megoldásokba építve, akárcsak az e-tengely. Az elektromos motor, a sebességváltó és a teljesítményelektronika kombinációjának hatásfoka az egész rendszer hatékonyabb megvalósításának betudhatóan akár a 96 százalékot is elérheti, ezáltal több energia fordítható a hajtásra, azaz bővül a hatótáv.
