Kiselkarbid – hetast i stan

Jörgen Städje
1 vecka sedan

Kylfläktar surrar och bullrar och halvledare som blir varma leder ström sämre, processorer går långsammare och värmen är ett ständigt problem för både logik och switchelektronik. Så varför inte skaffa ett halvledarmaterial som tål värmen, så man kan slippa kylning? Kiselkarbid är ett sådant halvledarmaterial. Du har det säkert redan hemma. Vi brukar kalla det för karborundum eller slipsten. Ren kiselkarbid är mycket svår att skilja från diamant, har nästan samma brytningsindex och är nästan lika hårt. Som smyckesten kallas det moissanite.

Med kiselkarbid (hädanefter SiC) kan man tillverka halvledare som är unika på flera sätt. De tål väldigt höga temperaturer. De kan till exempel närapå glöda och ändå fungera. De tål också väldigt höga spänningar.

Den här bilden har blivit väldigt populär. Den föreställer en ”hot plate” alltså i princip en kokplatta som man provar SiC-komponenter på. Riktigt så här mycket glöder inte plattan, utan det är lite fusk med inblandning av en infraröd bild. Plattan hålls vid ungefär 600 grader Celsius. Den något mörkare rektangeln på den ljusorange värmeplattan är SiC-kretsen och armarna med nålar som pekar ned, används för att göra kontakt med kretsen. Sju nålar gör kontakt, de övriga hänger i luften. Kretsen ser nästan genomskinlig ut, men det beror på att den strålar lika mycket värme som värmeplattan och därför har samma färg. Man kontakterar genom att svänga fram ett mikroskop över värmeplattan och sänka ned nålarna, varefter man svänger bort mikroskopet igen. Annars skulle det smälta.

SiC har mer eller mindre lämnat forskningsstadiet och finns att få som kommersiella komponenter. Diskreta dioder eller transistorer för högeffekttillämpningar är vardagsmat, liksom hela transistormoduler för kraftomvandling. Siemens Industrial Turbomachinery använder redan idag färdiga kapslade kretsar för överföring av telemetri inifrån gasturbiner (jetmotorer), där kretsarna sitter monterade på turbinskovlar och arbetar i en temperatur kring 400 grader.

Men för datortekniker är det trögare. En PC som kan gå fast den glöder, är ännu långt borta. Resultaten är emellertid på gång. KTHs projekt Working on Venustog fram SiC-kretsar i form av processorer, analoga förstärkare, radiosändare, sensorer och diodarrayer för kameratillämpningar, avsedda för en framtida färd till planeten Venus där yttemperaturen är 460 grader. Hellre än att försöka få med sig ett kylskåp till Venus, menade KTH-forskarna att det är enklare att låta elektroniken glöda svagt. SiC tål också mycket höga strålnivåer, vilket är livsnödvändigt i rymdfart.

Den höga överslagsspänningen kommer främst till nytta i strömriktare i lokomotiv och hybridbilar, där man vill kunna hantera höga spänningar och strömmar. Tiotusen volt är inte alls ovanligt i dagens tillämpningar, såsom frekvensomriktare för järnvägslok eller andra elfordon med höga effekter.

Kiselkarbidäventyr

Det här är mer än en artikel: det är ett kiselkarbidäventyr. Den här artikeln är skriven i samarbete med halvledarforskare på KTH. Artikeln går långt utanför grundforskningen och tittar på en mängd praktiska tillämpningar och sneglar på Sveriges framtid på andra planeter. Du får dessutom en omfattande lista på ställen där du kan läsa mer.

Framställning

SiC har utnyttjats som halvledare i många år, mest i likriktare, men det har varit svårt att åstadkomma hög materialkvalitet. Det rör sig om en sk sammansatt halvledare, bestående av kisel och kol, som är mycket svårare att framställa i defektfri form än kisel.

Smältpunkten är mycket hög (kisel smälter vid 1414 grader, kontra SiC 2730 grader), vilket ökar svårighetsgraden. Material av lämplig renhet visades först 1987 när forskare från North Carolina State University bildade företaget Cree (numera Wolfspeed) och började tillverka högkvalitativt material som det gick att göra halvledarskivor (wafers) av. NCSU kommer igen längre ned.

Man kan inte använda Czochralski-processen som med kisel, utan man använder sig av sublimeringstillväxt, som arbetar betydligt långsammare och ger defekter. KTH har följt utvecklingen sedan 1990 och man är förvånade över hur fort utvecklingen av högkvalitativt material ändå gått. Idag kan man köpa skivor som är 150 mm i diameter och är hyfsat defektfria. Inte alls lika bra som kisel, men ändå.

Numera finns det tillverkare i både Sverige, övriga Europa och Japan, vilket gjort marknaden konkurrensutsatt. SiC har övergått till kommersiell tillverkning. En skiva med 100 mm diameter kostar normalt 1500 dollar. På detta vill man ha specialskikt, epitaxi, vilket kostar ytterligare ett hundratal dollar. I slutänden kostar skivan cirka 2000-3000 dollar. Det är cirka 100 gånger mer än en kiselskiva, men priserna är på väg ned.

För närvarande är SiC inte konkurrenskraftigt i nätaggregat för PC utan materialet utmärker sig främst vid spänningar på 2,2 kV och däröver. Under denna spänning dominerar kisel fortfarande. Tyvärr är det marknaden som bestämmer och marknaden är konservativ. Man ändrar inte switchfrekvens i onödan, man använder sig inte gärna av hetare komponenter och därför går införandet av SiC långsamt.

De tre polytyperna

SiC-halvledare kan tillverkas av tre polytyper, tre olika kristallvarianter, där molekylerna staplat sig på olika sätt. Den som är mest aktuell kallas för 4H. Den är mycket lämplig som halvledare och har bra isotropa egenskaper, alltså att strömmen går lika bra i alla riktningar i kristallen.

Den andra typen, 6H är nästan lika bra men har större anisotropi, dvs strömmen går bättre i vissa riktningar. Det kan röra sig om resistansskillnader på tio gånger i olika riktningar, vilket är olämpligt för krafthalvledare. Den tredje typen kallas 3C och passar bra ihop med kisel och kan gros på kiselsubstrat, men ger något sämre kvalitet. 3C kan dock passa bra i sensorfunktioner där övrig elektronik är integrerad i kislet.

Kisel och SiC är så lika vad gäller efterbehandling att KTH kan använda samma maskinpark för kisel och SiC. Man använder bara lite olika recept vidd tillagningen, håller högre temperatur och högre energier i plasmat vid etsning, vilket borgar för att kretstillverkningen vid KTH kan bli väldigt högkvalitativ.

Krafthalvledare

Krafthalvledarna är den stora drivkraften för SiC-forskningen. Karbiden tål ungefär tio gånger högre spänning än kisel med samma dimensioner och har mycket bättre återhämtningsegenskaper än motsvarande komponent i kisel. År 2024 räknar KTH med transistorer med uppåt 30 kV genombrottsspänningar. Det kommer att bli ett kvantsprång för UHVDC-transmission (Ultra High Voltage Dicrect Current), alltså kraftledningar med likspänning i megavoltklassen. Den korta efterledningstiden (reverse recovery time) hos SiC gör att effektförlusterna blir mindre och därmed också värmen.

Den kraftkomponent man huvudsakligen bygger i SiC är krafttransistorer av sk IGBT-typ (insulated-gate bipolar transistor), som används i spänningsomvandlare (switchaggregat). Det är en krets som används för att göra om likspänning till enfas eller trefas växelspänning, antigen för att driva trefasmotorer, i industritillämpningar i megawattklassen som lokomotiv, elbilar, matarvattenpumpar, kompressorer eller större fartyg, eller för att transformera upp eller ned spänning. Branschen rör sig för närvarande med effekttätheter kring 150 kW/liter och det handlar om stora uteffekter i vissa tillämpningar. En låda i stil med en flyttkartong kan hantera megawatteffekter.

Resistansen i en öppen transistor i SiC är ~100 gånger lägre än i motsvarande MOSFET-transistor i kisel. Det betyder avsevärt lägre förlusteffekter, som i sin tur betyder mindre kylelement, och i sin tur mindre kylproblem. Sammantaget ger det högre verkningsgrad.

Eftersom SiC-transistorer är snabba, kan man höja switchfrekvensen i ett typiskt nätaggregat från 80 till 200 kHz och göra en volymvinst på 38 %, tack vare mindre transformatorer, spolar och dito glättningskondensatorer, med motsvarande besparingar i tillverkningskostnad. För en gångs skull betyder en tillverkares slogan något. Wolfspeed (Cree) skryter ”Powering More. Consuming Less.” och det stämmer faktiskt.

Shinkansen N700 med SiC. Bild: DAJF / Wikimedia Commons

Japanerna är som vanligt först ut. Mitsubishi började i juli 2015 en provomgång med kraftomvandlare helt i SiC i pendeltåg och i snabbtåget N700 Shinkansen. Varje vagn har fyra traktionsmotorer på 305 kW vardera, drivna av pulsbreddsmodulerade omvandlare med 2,5 kV ingångsspänning. Tåget har en totaleffekt på 17 MW. Bara genom att byta halvledarmaterial från kisel till SiC i omvandlarna kunde man minska deras storlek och vikt med 35-55 % och dessutom minska vikten på traktionsmotorerna och kringsystemen med 15 %. Det betyder en del för accelerationen.

Här är en typisk kraftmodul (vit) med två IGBT-transistorer (just detta exemplar råkar vara i kisel), monterad i en omvandlare som ska driva radiosändarna i den snart färdigbyggda neutronkanonen ESS (European Spallation Source) i Lund. Avsikten är att driva en protonstråle med ljusets hastighet och låta den krocka med en tung klump av volfram. I krocken förlorar volframet neutroner och transmuteras till andra grundämnen. Neutronerna tar man hand om och nyttjar för radiografiska undersökningar.

Strålen drivs med ett antal radiosändare på ungefär 350 MHz, uppbyggda med klystroner (elektronrör) som behöver 110 kV anodspänning. ESS arbetar i pulser om 14 Hz med effekter kring 30 MW och för att inte hela Lund ska blinka med 14 Hz mellanlagrar man energi i mycket stora kondensatorbatterier. Dessa laddas kontinuerligt med spänningsomvandlare uppbyggda med IGBT-moduler. Modulen i bilden hanterar 300 ampere.

Men det är småsaker i jämförelse med vad tekniker på FREEDM Systems Center vid North Carolina State University sysslar med, i arvet efter Cree. Deras arbete går ut på att modernisera elnätet och till exempel bygga effektivare understationer. En högspänningstransformator är visserligen väldigt effektiv, men väldigt stor och full av otrevliga oljor som brinner väldigt bra. Det befintliga elnätet som helhet är svårt att anpassa till dagens förnybara energikällor där energi kan flyta åt båda hållen och en typisk understation kan inte variera utspänningen om inspänningen fluktuerar. Farliga transienter flyter tvärs igenom.

In kommer DAB (Dual Active Bridge converter) och resultatet kallas TIPS (Transformerless Intelligent Power Substation) eller transformatorlösa understationer.

Här tar man inkommande 11 kV trefas, gör om det till likspänning och switchar den till ~10 kHz, transformerar i en ferrittransformator (som är mycket mindre än traditionella transformatorer med järnkärna), likriktar och switchar tillbaka till 3×230 volt 50 Hz växelspänning till hushållen. Räkna med krympta understationer.

Men utrustningen kan bli betydligt större. Bilden ovan visar en enhet för faskompensering på det amerikanska kraftnätet med en effekt på 100 MVA, ännu så länge uppbyggd med halvledare i kisel. I detta fall är halvledarna tyristorer, men med IGBT kan storleken förväntas minska. Bild: FREEDM Systems Center.

Kapslingstekniken och montaget behöver inte klara några våldsamma temperaturskillnader. Här utnyttjar man inte SiC högtemperaturegenskaper utan drar endast nytta av de snabba switchtiderna och den låga resistansen, för att åstadkomma låga temperaturer. På så sätt blir det inga problem med temperaturskillnader mellan kraftkomponenterna och den övriga elektroniken. Istället har man spänningar på flera, kanske hundra kilovolt att ta hänsyn till.

Integrerade kretsar

Vi ska alla den vägen vandra. KTH strävar givetvis mot att tillverka logikkretsar i SiC, för att i slutänden kunna bygga processorer.

Elektronmikroskopbilden visar en OR-NOR-grind utförd i ECL-teknik. Grupperna om fyra vertikala metallrektanglar är 10 stycken NPN-transistorer, medan ”ormarna” är motstånd. ECL är en icke-bottnande teknik som möjliggjorde mycket snabba kretsar med stigtider på nanosekundnivå i digitalteknikens början. Idag uppfyller man med lätthet detsamma med CMOS, men ECL var vad som stod till buds när KTH började sin forskning kring SiC.

Idag har KTH övergått till bottnad logik av TTL-typ, som är lättare att driva, tar upp mindre yta och drar mindre effekt. Men komplexiteten är fortfarande på denna nivå, alltså ett fåtal logiska funktioner.

Denna bild visar en del av en D/A-omvandlare under provmätning. De horisontella strecken är den motståndsstege som används för att skapa referensnivåer vid omvandlingen. Grupperna av fyra grå vertikala ledare runt omkring är strömgeneratorer som förser motståndsstegen med konstant ström. De stora svarta pilarna är de probspetsar man använder för att ansluta till kretsen vid mätningen.

Här provas en kapslad variant av en 8-bitars A/D-omvandlare. Den ska bli en del av en kommande sigma-delta-A/D-omvandlare för rymdbruk. Som du ser, råder inga höga temperaturer. SiC-kretsen är fäst i kapseln med epoxi och kretsen är bondad till kapselns kontaktpunkter med tunna guldtrådar. Här är det fråga om elektriska prestandatester och inte högtemperatur.

Det där med höga temperaturer kan få katastrofala följder för smala ledare på SiC-substrat. Bilden visar en aluminiumledare som fått lite för mycket ström när substratet var hett. Det har rört sig om ett par milliampere, men det kan vara tillräckligt vid 500 grader. Det enda ledarmaterial som inte kollapsar under dessa förhållanden är platina.

Eller också är temperaturen inget problem. Siemens Industrial Turbomachinery i Finspång har sedan en tid tillbaka använt kapslade SiC-kretsar för mätningar inuti gasturbiner (jetmotorer) där de monteras på ett 400 grader varmt turbinblad. Som du ser av bilden ovan håller den sju centimeter långa kretsen inte någon rasande komplexitet. Det finns inga integrerade kretsar utan allting är uppbyggt med diskreta transistorer på ett keramiskt flerlagersubstrat av typen low temperature co-fire ceramic (LTCC). De stora klumparna är kondensatorer.

I princip inrymmer kapseln ett par förstärkare som förstärker signalen från ett par termoelement och trådtöjningsgivare och direktmodulerar en FM-sändare analogt med resultatet. FM-sändarens resonanskrets är den fyrkantiga spolen längst till vänster. Det rör sig inte om dataöverföring. Kretsen kan bara sända ett mätvärde åt gången och måste instrueras utifrån att växla till nästa sensor.

Det fantastiska är att kretsen faktiskt klarar det inom temperaturområdet 25-450 grader, utsatt för en acceleration på 10.000 g. Det är som att bli skjuten ur en kanon.

I detta fall är kapslingstekniken inte heller något problem eftersom allting är 400 grader varmt. Det kommer inte att bli temperaturpåkänningar som sliter bort tilledarna från kretsen. Kraften till kretsen tas in trådlöst och mätvärdena matas ut med samma metod. Det blir ingen galvanisk-termisk kontakt med omvärlden.

Är Venus levande eller död, vulkaniskt och tektoniskt?

Den europeiska rymdstyrelsen ESA har skickat ut ett ”Call for new scientific ideas” för en venuslandning omkring år 2030 och KTH skickade in ett förslag kallat VL2SP, Venus Long Life Surface Package, i form av en sond som ska landa på Venus och där kunna mäta venusbävningar under lång tid för att man ska kunna avgöra om det fortfarande finns vulkanisk aktivitet på planeten. Uppgiften kräver elektronik som kan klara sig flera hundra jorddygn (eller minst ett venusdygn) i 460 graders omgivningstemperatur, utan kylsystem.

Avsikten är att bygga en platt enhet enligt bilden ovan, som ska fungera oavsett hur den landar på ytan. Den måste vara platt för att inte blåsa bort. Mätningen ska utföras med en treaxlig seismometer baserad på kapacitiv MEMS-teknik (Micro ElectroMechanical System), med 16 bitars upplösning per kanal och 10 Hz samplingfrekvens. Man planerar också att bygga en vindmätare, för att kompensera för skakningar på grund av blåst. Exakt hur sändningen av data ska gå till är inte klarlagt ännu. Det torde inte bli några höga datahastigheter, utan i området 64 bitar per sekund. Hela den färdiga fullskale-sonden förväntas väga mindre än hundra kilo.

Working on Venus

Det mest gloriösa venusprojekt som KTH påtagit sig syftade till att utveckla elektronik för en större venuslandare som både ska kunna ta bilder, mäta olika fysikaliska värden, kommunicera med en venussatellit och framför allt, överleva och strömförsörjas i flera hundra jorddygn. Fast den nästan glöder.

Det gick bra. Läs mera här: https://www.teknikaliteter.se/2020/04/14/working-on-venus-levererar/

KTHs forskargrupp har inte velat spekulera i en venuslandare ännu, så det föll på undertecknad. Under nedfärden skiljer landaren sig inte mycket från vilken marslandare som helst: en konisk farkost med en ablativ värmesköld nedåt. Strax innan den landar, sprängs den koniska toppen av genom att ett antal sprängbultar lossar.

När den ställt sig på venusytan tänker man sig att den ser ut så här i genomskärning. Antennerna och det roterbara tornet är gjorda i minnesmetall och vecklar långsamt ut sig i venusvärmen. Notera asynkronmotorn som vrider tornet med spegeln. Dylika motorer kan fås att fungera vid 400 grader.

Under arbetsnamnet ”Spaceship on a chip” visionerade undertecknad därefter fram denna krets, avsedd att fungera som ”hjärnan” i rymdskeppet. Du kan kalla den för moderkort om du vill.

Kretskortet skulle kunna tillverkas som en kakelplatta i aluminiumnitrid. Keramen aluminiumnitrid har fördelen att ha samma temperaturutvidgning som SiC. Således sprätter inte kretsarna loss från substratet när temperaturen ändras. De gröna kretsarna i bilden är redan färdigutvecklade.

Kommande nytta i hemmet?

Vad kan en vanlig hemdatoranvändare ha för nytta av en processor som glöder?

Tänk att slippa kylning och därmed alla bullrande kylfläktar. Det flesta modifieringsprojekt för PC man sett, går ut på att göra ett imponerande kylsystem med självlysande vatten och en hel massa rör. Produktkatalogerna är fulla av lågbullrande fläktar. Men håll med om att det vore bättre om du slapp kyla alls.

Då är SiC inte lösningen. Antag att man kan göra en processor som kan fungera fast den glöder, eller åtminstone halvglöder i 400 grader. Strålningskylning skulle vara tillräckligt. Hur ska man ansluta chipen? Valiga kiselchipar löds fast på substratet i kapslingen. Vid 400 grader har lödtennet för länge sedan smält och man måste tillgripa silver. Alla kopplingar runt omkring kommer att smälta och ytmonterade komponenter kommer att lossna ur tennet och flyta omkring. Plast kommer att börja bubbla och krokna. Kretskort i glasfiber tål inte 400 grader, utan kommer att delamineras.

Eventuellt skulle man kunna bygga ett helt System on a Chip med alla kringkretsar, North Bridge, minnen, spänningsomvandlare etc. på en kakelplatta, med ledningsmönster i platina, uppställd i en keramisk ställning, med punktsvetsade anslutningar med kopparfläta som inuti en spis ungefär. Men ut- och tillbyggnaden lär bli svår. Bara att ansluta mera minne betyder att du måste punktsvetsa. Du kommer att kunna baka bullar ovanpå datorn.

Att ha någonting, vad som helst, som håller 400 grader i en lägenhet som i övrigt håller 20 grader är en utopi. Inuti en gasturbin som redan är 400 grader eller på venusytan fungerar det dock utmärkt.

För hemanvändaren kommer SiC först och främst att hamna i drivelektroniken i elbilar och i spänningsomvandlare för solcellsentusiaster.

Framtiden

Intelligenta elnät är framtiden. Ska vi fortsätta med vindkraft och liknande slumpmässiga energikällor behövs en möjlighet att snabbt och effektivt kunna flytta energi mellan olika delar av Europa.

Sanningen är att det inte blåser jämt och solen bara lyser på dagen. Då måste kärnkraften gripa in. För närvarande medger inte tekniken att vi lagrar några större mängder energi, för att till exempel försörja en större stad under ett par timmar. Energi måste därför flyttas från stället där den för tillfället generas, till stället där den behövs.

Genereras den i Tyskland, men behövs i Sundsvall, måste den ledas dit på effektivast möjliga sätt och där kommer högeffektiva spänningsomvandlare med SiC in. Energi är dyr och ska inte göras om till värme i lågeffektiva omvandlare. Ju högre spänning man kan ha i kraftledningarna, desto effektivare blir överföringen.

Skulle man exempelvis kunna ladda sin elbil med solel när solen till äventyrs lyser, skulle man kunna tappa ut energin till huset på kvällen. En Tesla kan lagra 90 kWh. Här kommer skatten in. Skickar solcellsägaren ut el på elnätet får denne betala skatt. Lagrar man överskottsenergin hos sig själv, betalar man ingen skatt. Det kan bli en viktig drivkraft.

SiC skapar helt nya marknader som inte varit möjliga med kisel, men det behövs en kommersiell drivkraft för att få ut det på marknaden. KTH har funderat på högtemperaturkretsar i snart 15 år, men ingen har varit intresserad av att sponsra forskningen. Venusprojektet gav emellertid ett PR-värde och därför fick KTH pengar för det. Men i övrigt är det nästan ingen som använder högtemperaturelektronik, för det anses svårt, särskilt vad gäller kapslingen. Fordonsindustrin skulle kunna dra nytta av tekniken, men de ser bara till dollar per ampere. Det svåra för aktörerna inom högtemperaturfältet är att hitta någon som vill betala för utvecklingen.