Термостойкость SiC: путь к коммерчески доступным агрегатам питания
Мичиганский университет получил значительное финансирование для разработки термостойких полупроводников из карбида кремния. Первоначальные инвестиции в размере 2,4 млн. долларов, предоставленные одним из региональных инновационных центров Silicon Crossroads Microelectronics Commons Hub, позволили направить силы на то, чтобы заполнить пробел между лабораторными исследованиями и коммерческим производством, расширив использование SiC в различных областях применения – от современных самолетов и электромобилей до систем возобновляемой энергетики, обороны и освоения космоса.
Проект, направленный на перевод термостойких полупроводников из SiC из лабораторных условий в коммерческое производство – «из лаборатории на завод», – в течение следующих трех лет привлечет финансирование в размере до 7,5 млн. долларов.
Термостойкость SiC
SiC – это единственное соединение кремния и углерода, устойчивое к экстремально высоким температурам. Оно остается стабильным до 2500°C, переходя в жидкое состояние примерно при 2830°C. Эти тепловые свойства делают карбид кремния пригодным для таких устройств, как нагревательные элементы, подставки для кассет для полупроводниковых пластин и зоны соединения на поверхностях полупроводников.
По сравнению с традиционным кремнием, устройства из SiC обладают более высокой устойчивостью, что позволяет им выдерживать значительно более высокие напряжения, температуры и уровни радиации. Используя присущую материалу надежность, исследователи изучают возможность применения карбида кремния в экстремальных условиях.
В Исследовательском центре Гленна при НАСА инженеры разрабатывают технологию SiC, позволяющую интеллектуальной сенсорной и управляющей электронике эффективно работать в экстремальных аэрокосмических условиях, где температура достигает 600°C и традиционные системы на основе кремния не могут функционировать.
Лаборатория по производству микросистем при Исследовательском центре располагает чистыми помещениями площадью около 280 м2 по стандартам ISO 5 и 6 и является единственным предприятием в мире, где изготавливаются и тестируются полупроводниковые интегральные схемы, которые непрерывно работают при температуре 500°C более года. Лаборатория по производству микросистем также изготавливает керамическую упаковку по индивидуальному заказу, что позволяет ее прочным электронным и сенсорным чипам из SiC работать в течение длительного времени при высоких температурах (см. рисунок ниже).
Чип из SiC, помещенный в высокотемпературную керамическую упаковку
Однако, несмотря на то, что SiC все шире применяется в силовой электронике, например, в инверторах для электромобилей и системах солнечной и ветровой энергетики, эти области применения часто не в полной мере используют его замечательную устойчивость к экстремальным условиям.
Проект Мичиганского университета направлен на масштабирование технологий и производственных процессов НАСА до коммерчески доступных размеров пластин. Миссия также заключается в том, чтобы сделать дизайн чипов из SiC доступным для всех с помощью подхода с открытым исходным кодом, что сделает этот передовой материал более доступным для более широкого круга инженеров и представителей промышленности.
Проект: заинтересованные стороны и их роли
Проект объединяет консорциум партнеров, каждый из которых обладает своей специфической областью знаний, включая:
- Мичиганский университет (ведущее учреждение)
- Исследовательский центр Гленна при НАСА
- GE Aerospace Research (исследовательское и научное подразделение компании GE Aerospace, Нискаюна, Нью-Йорк)
- Компания Ozark IC (Фейетвилл, Арканзас), специализирующаяся на производстве надежных микросхем и обладающая опытом в производстве современных упаковочных материалов для высоких температур
- Wolfspeed, ведущий производитель полупроводников со головным офисом в Северной Каролине
Несмотря на то, что карбид кремния имеет несколько потенциальных применений, первоначально проект будет ориентирован на аэрокосмический сектор. Он включает в себя разработку передовой электроники и датчиков, которые могут значительно повысить надежность авиационных двигателей и оптимизировать их размер, вес и энергопотребление. Ключевой вехой станет демонстрация упакованного соленоида на основе SiC для аэрокосмических систем управления, который преобразует электрические сигналы в механическое движение.
Как сообщает Мичиганский университет, Исследовательский центр Гленна при НАСА и GE Aerospace Research будут совместно работать над расширением процесса изготовления высокотемпературных полевых транзисторов из SiC с p-n переходом с небольших 100-миллиметровых пластин до более стандартных для промышленности 150-миллиметровых пластин.
Компания Ozark IC, которая сотрудничает с Исследовательским центром Гленна, поделится своим опытом в области упаковки, интеграции и коммерциализации процессов. Компания уже продемонстрировала способность SiC работать при температуре более 800°C при использовании усовершенствованной упаковки.
Это сотрудничество основывается на предыдущих работах, финансировавшихся Управлением перспективных исследовательских программ США, включая программу создания датчиков высокой рабочей температуры.
Wolfspeed, компания с более чем 30-летним опытом в разработке SiC и производстве пластин, поставит специализированные SiC-пластины, необходимые для этих передовых устройств, поделившись своим большим опытом в области эпитаксии SiC. Помимо предоставления материалов, Wolfspeed проконсультирует проектную команду по разработке стратегий успешной коммерциализации.
Демократизация дизайна устройств на основе SiC
Основная цель проекта – сделать технологию SiC более доступной для разработчиков микросхем. Для достижения этой цели исследователи Мичиганского университета во главе с Дэвидом Венцлоффом, профессором электротехники и вычислительной техники, разрабатывают инструменты с открытым исходным кодом, которые позволяют проектировать аналоговые схемы и схемы со смешанным сигналом с использованием знакомых систем цифровой автоматизации.
Эти схемы являются основополагающими для таких важных функций, как управление питанием, преобразование реальных данных датчиков в цифровую информацию для обработки и управление приводами и контроллерами, особенно в сложных системах, таких как реактивные двигатели.
Аналоговые схемы, используемые для таких задач, как регулирование мощности, преобразование сигналов и управление приводами, традиционно требуют узкоспециализированных навыков. Подход, разработанный командой Мичиганского университета, упрощает процесс, делая его более доступным для проектировщиков, не имеющих большого опыта аналогового проектирования.
Кроме того, исследователи вуза создают библиотеки стандартных печатных плат и усовершенствованные модели транзисторов. Эти ресурсы будут объединены в наборы для разработки процессов, которые поддерживают автоматизацию открытого электронного проектирования, что еще больше снизит барьер для инноваций в области микросхем из SiC.
Кроме того, команда тщательно протестирует устройства и схемы, изготовленные НАСА и GE Aerospace и упакованные компанией Ozark IC, используя полученные данные для создания комплексных PDK-файлов и программного обеспечения open-EDA.
Этот подход с открытым исходным кодом направлен на автоматизацию проектирования микросхем и моделирование их производительности, предоставляя инженерам инструменты, необходимые для проектирования и производства коммерческих продуктов на основе этой технологии.
Влияние на промышленность и области применения
Устройства питания на основе кремния имеют некоторые ограничения при использовании в системах управления аэрокосмическими двигателями. Первое из них – это максимальная температура, при которой они могут работать, обычно равная 125°C. Для этого требуются сложные и мощные системы охлаждения или правильное размещение компонентов в более прохладных зонах двигателя.
Устройства на основе SiC, напротив, могут надежно работать в самых горячих зонах двигателей и даже в их выхлопных системах. Технологические достижения, достигнутые в рамках этого проекта, могут привести к разработке новых датчиков и исполнительных механизмов, которые уменьшат общий вес и упростят архитектуру электрической системы двигателя.
Кроме того, присущая SiC способность выдерживать экстремальные температуры открывает двери для значительных достижений в новых гиперзвуковых авиационных системах, которые работают при температурах, намного превышающих возможности обычной электроники на основе кремния.
Проект, озаглавленный «Повышение надежности двигателя и замена его на электронные системы из SiC с температурой от 350°C до 500°C», является одним из 34 проектов, отобранных Министерством обороны США в 2024 году в рамках программы общего пользования микроэлектроникой, финансируемой Законом о чипах и науке. Его цель – расширить лидерство США в отечественном производстве микроэлектроники и инновациях.
