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Interview mit Frank Heidemann, SET

»Wer bei SiC vorne dabei ist, hat einen immensen Marktvorteil«

22. Oktober 2020, 11:25 Uhr   |  Nicole Wörner


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

"Prozesse und Verfahren müssen adaptiert werden..."

Wo sehen Sie die größten Herausforderungen, die neue Materialien wie SiC mit sich bringen?

Silizium ist eine etablierte Technologie, die über dreißig Jahre kontinuierlich verfeinert wurde. Jetzt müssen die etablierten Prozesse und Verfahren für SiC adaptiert und optimiert werden. Hier stehen wir noch vor einigen großen Herausforderungen. Aktuell beschäftigen wir uns damit, wie man SiC in einer vergleichbaren Güte und Masse wie Silizium herstellen kann. Momentan sind die Wafer noch sehr klein und es sind nur geringe Mengen SiC am Markt verfügbar. Die große Frage ist, wie man aus gewachsenen SiC-Halbleitern Wafer mit einer hohen Güte herstellen kann, ohne riesige Ausschüsse zu produzieren. Da die gewachsenen Kristalle sehr wertvoll sind, liegt hier noch unheimlich viel Potenzial für die Fertigungskosten. Aber auch die Designs der Leistungshalbleiter verändern sich durch SiC enorm. Viele Hersteller bringen jetzt schon die dritte oder vierte Generation von SiC-Halbleitern auf den Markt und machen Iterationen, um die Potenziale, die in Wide-Bandgap liegen, tatsächlich auch nutzen zu können. Es ist technologisch eine enorme Herausforderung, die Theorie in Produkte zu übertragen.

Leitungshalbleiter können durch SiC auch in einem deutlich höheren Temperaturbereich betrieben werden, aber die umgebenden Komponenten sind darauf bisher gar nicht ausgelegt. Waren mit Silizium maximal 175 Grad Celsius möglich, sind es mit Siliziumkarbid schon 500 und mehr. Wir stoßen also bei Bonding, Moulding, Sintern, Verbindungstechnologien und Gehäusetechnologien an ein Limit, bevor der Halbleiter an sein Limit kommt. Darüber hinaus spielt auch die Zuverlässigkeit eine große Rolle. Die OEMs sehen die Potenziale der neuen Technologie, aber es soll dadurch nicht zu verfrühten Ausfällen in der Applikation kommen. Die Herausforderung ist also, eine ganz neue Technologie in großer Masse in den Markt zu bringen und die Effizienz zu nutzen, ohne dabei massenhaft Fehlereffekte einzubauen. Damit die Lebensdauer der Leistungshalbleiter in der Serie stimmt, müssen auch die Testverfahren und Standards weiterentwickelt werden.

Was ändert sich durch den Technologiewandel für die Automobilindustrie?

Die OEMs sehen die große Chance, die Elektromobilität mit SiC nun in Reichweiten zu bringen, die für den Endkunden wirklich praktikabel und relevant sind. Bei Reichweiten von über 500 km und Ladezeiten von unter einer Stunde für 80 Prozent Batteriestand braucht niemand mehr Angst zu haben, dass er irgendwo strandet – vorausgesetzt, die Infrastruktur stimmt.

Bedingt durch die jüngste Geschichte steht die Automobilindustrie aktuell besonders im Fokus, was die Angaben zu Entfernungen, Reichweiten und Lebensdauer betrifft. Es gibt eine höhere Awareness im Markt, dass niemand überproportional positive Annahmen macht, und gleichzeitig eine neue Technologie, die die versprochene Reichweite und Lebensdauer auch verlässlich liefern muss. Das nachzuweisen ist aktuell noch eine Herausforderung, weil sich die Qualifikationsbasis für SiC-Leistungshalbleiter laufend ändert. Die ECPE hat für den europäischen Raum mit der AQG 324 bereits sehr gute Standards geschaffen für die Qualifikation von Silizium-Leistungshalbleitern im Automobilbereich. Jetzt arbeitet sie in Abstimmung mit den anderen Standardisierungskomitees weltweit daran, diese standardisierten Testprozesse auch für SiC und GaN nutzbar zu machen.

Warum müssen die bisherigen Qualifikationsstandards angepasst werden?

Wenn man sich die Reliability anschaut, gibt es für Silizium etablierte Testverfahren und Fehlermodelle, um die erforderlichen Verkürzungszeiten herzustellen und eine Entsprechung zur realen Nutzungszeit in der Applikation zu haben. Wir sehen nun bei SiC aber, dass die neuen Applikationen und die bisherigen Teststandards nicht mehr zueinander passen. Mit den gängigen statischen Zuverlässigkeitsverfahren und Fehlermodellen werden bei SiC nicht alle Fehlerfälle und Effekte entdeckt. Die statischen Tests haben alle ihre Berechtigung, weil viele der Fehlerfälle immer noch existieren. Aber wir müssen bei SiC deutlich näher an der Applikation testen, also mehr dynamisch und nicht mehr rein statisch.

Wieso sind für SiC-Leistungshalbleiter andere Testverfahren erforderlich?

Schauen wir uns exemplarisch das Drift-Verhalten von SiC-Bauteilen an, das in letzter Konsequenz auch zur Effizienz des Bauteiles beiträgt. Bei Silizium haben wir das Driften als Effekt über die Lebensdauer kaum noch gesehen, weil wir den Halbleiter technologisch und prozessual sehr gut im Griff hatten. Testet man SiC mit den gleichen statischen Gate-Stress-Tests, sieht man ebenfalls kaum überproportionales Driften, eigentlich gut. Wenn man die gleichen Bauteile aber mit dynamischen Ansteuerungen am Gate stresst, sieht man auf einmal ganz andere Ergebnisse. Das reicht je nach Hersteller von ziemlich geringen Drift-Tendenzen bis hin zu relativ hohen Drift-Tendenzen – und zwar um Faktoren unterschiedlich. Wir konnten also eindeutig nachweisen, dass einige dynamische Drift- und Alterungseffekte von Leistungshalbleitern existieren, die mit unseren herkömmlichen statischen Testverfahren im Moment gar nicht aufgezeigt werden können. Die Herausforderung besteht nun darin, eigene physikalische Fehlermodelle für SiC zu entwickeln. Wir untersuchen im Moment intensiv, welche Effekte es bei SiC im dynamischen oder applikationsnahen Bereich gibt, und entwickeln gemeinsam mit den Herstellern und OEMs neue Fehlermodelle. Diese Erkenntnisse dienen dann als Basis für standardisierte Testverfahren.

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1. »Wer bei SiC vorne dabei ist, hat einen immensen Marktvorteil«
2. "Prozesse und Verfahren müssen adaptiert werden..."
3. Herausforderungen im Testing

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