SEMICON Europa 2015 »Silizium bleibt das Arbeitspferd der Leistungselektronik«

Zwei halbe Tage beschäftigte sich ein Konferenzteil auf der SEMICON Europa 2015 mit Leistungshalbleitern. Es wurde extrem viel über SiC und GaN gesprochen, es wird bei Wide-Bandgap-Materialien geforscht. Aber Silizium bleibt das Arbeitspferd der Leistungselektronik für die nächsten zehn Jahre.

Am 7. und 8. Oktober 2015 fand im Rahmen der SEMICON Europa in Dresden auch eine Session zum Thema Power Electronics. Experten aus ganz Europa und den USA präsentierten die Ergebnisse ihrer neuesten Forschungen.

Herbert Parititsch, Senior Manager Technology & Innovation bei Infineon Austria, brachte es auf den Punkt: "Siliziumkarbid und Galliumnitrid werden in den nächsten Jahren sicher aufholen, aber Silizium wird für eine weitere Dekade DAS Arbeitspferd der Leistungselektronik bleiben." Seiner Ansicht nach liege bei GaN beispielsweise das Problem darin, dass kaum ein Systementwickler sich an ein Normally-on-Bauteil herantraut. Zu groß seien ihre Bedenken und Ängste. "Bei GaN brauchen die Anbieter einen langen Atem", resümierte er.

Siliziumkarbid (SiC) ist da schon weiter. So kündigte Jeff Cassidy, Business Development & Program Manager bei Wolfspeed (Cree), an, schon im Jahr 2016 SiC-MOSFETs mit 3,3 kV und 10 kV Sperrspannung zu qualifizieren. Zudem präsentierte er erste Laboruntersuchungen an einem SiC-IGBT. Auf die Frage, wann da erste Produkte zu sehen sein werden, meinte er: "Frühestens in drei bis vier Jahren."

Florian Hilpert, Scientific Engineer beim Fraunhofer IISB, demonstrierte an einem Elektro-Pkw, dass auch der SiC-Bipolartransistor nicht abgeschrieben werden sollte. Er präsentierte einen Baukastenansatz für Halbbrücken-Umrichter für Fahrzeugantriebe, die sich direkt ans die Räder eines Autos flanschen lassen.

Apropos Fahrzeugantriebe: Martin Schulz von Infineon in Warstein glaubt fest daran, dass die Chinesen bei Elektromobilität DER Leitmarkt werden. Treiber ist die gigantische Luftverschmutzung in Megacitys wie Peking oder Shanghai durch Stadtbusse. "Allein in Peking sind 500.000 Busse im Einsatz", stellte Schulz heraus und ergänzt: "Die chinesische Regierung hat hybride und rein elektrische Antriebe als DEN Ausweg aus diesem Problem erkannt und macht jetzt Nägel mit Köpfen." Zurzeit sind diese Busse noch in der Testphase, aber schon bald könnten sie flächendeckend eingesetzt werden.

Wo bleibt GaN auf Silizium?

Galliumnitrid war an diesen zwei halben Tagen das am meisten diskutierte Thema, nicht weil es so hervorragend gut ist, sondern weil es immer noch weitgehend Teil der Forschung ist. Das Aufwachsen der Epitaxie-Schichten ist auch weiterhin sehr herausfordernd. "Es ist nicht verwunderlich, dass der Epitaxieprozess bei GaN-on-Si zigmal teurer ist als bei einem einfachen Si-CMOS-Prozess", berichtete Somit Joshi, Senior Director of Marketing bei Veeco Instruments, einem Anbieter von Prozessanlagen für die Halbleiterherstellung. Um die Ausbeute (Yield) zu steigern, stellte er einen Single-Wafer-Reactor (SWR). Mehrere SWRs lassen sich zu einem Cluster zusammenschließen, um die Produktivität hoch zu halten. "Mit dieser Anordnung sinken die Kosten für die Epi-Schicht und gleichzeitig steigt deren Qualität", ist Joshi überzeugt.

Einen anderen Weg zur Kostenreduktion schlägt Fabrice Letertre, COO von Exagan, vor: Produktion auf 200-mm-Siliziumwafern. Auf der PCIM Europe 2015 hatte Epigan daher eine Partnerschaft mit X-Fab bekanntgegeben. Auf die Nachfrage, wann die Serienfertigung bei X-Fab anlaufe meinte Letertre, es dauere wohl noch bis 2017 oder 2018.

Auf eine sehr interessante Anwendung für GaN-on-Si im Bereich der Elektromobilität machte Pierre Perichon, Power Electronic Specialist am CEA-Leti, aufmerksam: Bidirektionale, GaN-basierte Umrichter zum Laden der Bordbatterie wären extrem klein und leicht, also geradezu ideal für Fahrzeuganwendungen. Er benannte aber ein weiteres Problem für GaN-on-Si: Die Schaltfrequenzen können nicht weiter steigen, da es keine entsprechend verlustarmen Magnetmaterialien zur Verfügung stehen. "Ich glaube, dass wir dort eisenlose Topologien sehen werden", sagte Perichon.

Warum fallen Leistungshalbleiter aus?

Zwei Vorträge beschäftigten sich mit dem Thema Zuverlässigkeit und beschrieben, was für eine Detektivarbeit es sein kann herauszufinden, warum ein Leistungshalbleiter ausgefallen ist.

Gerald Dallmann, Division Manager Microelectronics bei SGS Fresenius, untersucht im Kundenauftrag ausgefallene Chips. Er stellte heraus, dass das schwächste Glied der Wertschöpfungskette bei Leistungshalbleitern das Back-End ist. Er vermutet, dass dort die Mitarbeiter am wenigsten gut ausgebildet sind.

Francesco Ianuzzo, Professor an Universität Aalborg, lässt Leistungshalbleiter, wie sie in Umrichtern für Windräder zum Einsatz kommen, kontrolliert ausfallen. Fehler in der Leistungselektronik sind die zweithäufigste Ursache für den Ausfall von Windkraftanlagen. Die größte Herausforderung beim Modellieren abnormer Betriebszustände besteht darin, die Power-Module in dem Moment vom Zweischenkreis abzuschalten, in dem der Fehler auftritt. Schafft man das nicht, hat man nichts als Staub und es gibt nichts zu analysieren. Genau dafür hat Ianuzzo einen speziellen „Circuit Breaker“ entwickelt.

Die nächste SEMICON Europa findet vom 25. bis 27.10.2016 in Grenoble statt.

Zwei Vorträge beschäftigten sich mit dem Thema Zuverlässigkeit und beschrieben, was für eine Detektivarbeit es sein kann herauszufinden, warum ein Leistungshalbleiter ausgefallen ist.

Gerald Dallmann, Division Manager Microelectronics bei SGS Fresenius, untersucht im Kundenauftrag ausgefallene Chips. Er stellte heraus, dass das schwächste Glied der Wertschöpfungskette bei Leistungshalbleitern das Back-End ist. Er vermutet, dass dort die Mitarbeiter am wenigsten gut ausgebildet sind.

Francesco Ianuzzo, Professor an Universität Aalborg, lässt Leistungshalbleiter, wie sie in Umrichtern für Windräder zum Einsatz kommen, kontrolliert ausfallen. Fehler in der Leistungselektronik sind die zweithäufigste Ursache für den Ausfall von Windkraftanlagen. Die größte Herausforderung beim Modellieren abnormer Betriebszustände besteht darin, die Power-Module in dem Moment vom Zweischenkreis abzuschalten, in dem der Fehler auftritt. Schafft man das nicht, hat man nichts als Staub und es gibt nichts zu analysieren. Genau dafür hat Ianuzzo einen speziellen „Circuit Breaker“ entwickelt.

Die nächste SEMICON Europe findet in Grenoble vom xx. bis yy. 2016 statt.

Am 7. und 8. Oktober 2015 fand im Rahmen der SEMICON Europa in Dresden auch eine Session zum Thema Power Electronics. Experten aus ganz Europa und den USA präsentierten die Ergebnisse ihrer neuesten Forschungen.

25.-27.10.2016