Det var i början av året som Obama-administrationen satte ned foten kring Power America – ett nytt institut för tillverkning av innovativ kraftelektronik lett av North Carolina State University. Uppdraget är i stort att utveckla avancerade tillverkningsprocesser som ska bana väg för storskalig produktion av halvledare med brett bandgap (WBG, wide bandgap).

− När vi nu bygger upp detta har vi förebilder från både Europa och Asien. Tyska Fraunhofer och belgiska Imec är två. De har statligt stöd och ett starkt engagemang från både akademi och industrin, säger John Muth på North Carolina State University och biträdande chef för Power America.

Power America är en del i en nationell satsning på ett nätverk av institut med fokus på tillverkning.

Power America är en del i en större amerikanska nationell satsning, där visionen är att på sikt skapa ett nätverk av upp till 45 liknande institut utspridda över landet och med fokus på konkurrenskraftig tillverkning. Syftet är att säkerställa jobb inom teknikområden som anses höra framtiden till liksom att trygga utbildningen i landet.

I startkapital har Power America attraherat 146 miljoner dollar, alltså cirka 1,2 miljarder kronor – en summa som ska spenderas under de närmaste fem åren. Landets Energimyndighet (Energy Department) står för 70 miljoner dollar av detta, medan ett antal industripartner exempelvis Cree, X-fab, Transphorm, ABB och Toshiba gemensamt står för 60 miljoner. Resterande 16 miljoner dollar kommer från staten North Carolina.

− Vårt långsiktiga mål är att få ned priset på kraftelektronik tillverkad i WBG-material. Vi ställer alltså inte kiselkarbid och galliumnitrid mot varandra, utan WBG-kretsar mot kisel, förklarar John Muth.

Han pekar på två ytterst viktiga delmål i den kampen. Dels måste det till ett större förtroende för kraftelektronik tillverkade i WBG-material – här krävs det att demonstratorer tas fram liksom bättre kunskap om hur system kring dessa komponenter konstrueras. Dels måste ett foundrykoncept utvecklas med högre yield och tillverkning på större wafers än idag för att priset på halvledare med brett bandgap ska gå ned i takt med att volymerna skjuter i höjden.

− Hur foundymodellen kommer att se ut är däremot osäkert. Idag vet vi inte om det kommer att vara dagens stora foundryn som tillverkar kiselkretsar som tar affärerna eller om det kommer att dyka upp helt nya spelare, påpekar John Muth.

Svensk kiselkarbidkonferens Den årliga konferensen ISiCPEAW är ett samarbete med Acreo Swedish ICT, Swerea Kimab, KTH, Yole Développement och Enterprise Europe Network (EPE). Årets upplaga startade som i fjol med en ”tutorial day” som hölls hos Swerea Kimab i Kista. Därefter följde en två dagars ”workshop” som i år hölls på The Radisson Blue Royal Park Hotel strax norr om Stockholm. I år hade 135 personer anmält sig till eventet.

Kiselkarbidveteranen Cree är ett av de företag som är engagerat i Power America. Företaget utvecklar både wafers ock kretsar i SiC. Det har tillverkat dioder i materialet sedan 2002, en första generation MOSFET:ar i SiC sedan 2011 och moduler med SiC-kretsar sedan 2012. När det gäller moduler arbetar Cree både med partners samt tar fram egna alternativ.

Idag säljer Cree SiC MOSFET:ar från sin andra kretsgeneration, med helt ny design som hanterar ända upp till 1,7 kV.

− För bara några veckor sedan släppte vi de första produkterna från vår tredje kretsgeneration. Först ut var 900 V MOSFET:ar, men i labbet arbetar vi med ännu högre spänningar, avslöjar Jeff Casady på Cree under sitt anförande på ISiCPEAW.

I den nya generationen har Cree bland annat lyckats reducera Rds(on) ytterligare, vilket borgar för än lägre switchförluster och därmed mindre värmeutveckling.

− Våra kommande 3,3 kV MOSFET:ar kommer att ha mellan 10 och 15 gånger lägre switchförluster än jämförbara transistorer i kisel. Dessa chips planerar vi att kvalificera genom Power America-programmet. Då kommer vi att fördjupa oss i tillförlitlighet ur många aspekter, exempelvis temperaturtålighet och tålighet mot kosmisk strålning, avslöjar Jeff Casady och han fortsätter:

− Vi tittar även på en 10 kV SiC MOSFET inom Power America, men den ligger längre fram i tiden.

Även Peter Sandvik på General Electric tar stolt upp företagets långa meritlista inom kiselkarbid, som enligt honom går mer än 20 år tillbaka i tiden.

− I vårt labb tog forskare fram den första monolitiska op-förstärkaren i SiC redan år 1994, säger han.

Idag har företaget en 4-tums demonstrationslina där det processar några hundra wafers per år.

− Vårt mål är att få upp volymen och få ut SiC-kretsar på marknaden. Fast ribban ligger högt. De måste vara minst lika bra som kiselalternativen, annars är det ointressant, säger Peter Sandvik.

I nuläget har General Electric 1,2 kV MOSFET:ar som är redo för marknaden. Samtidigt arbetar företaget med att ta fram transistorer som hanterar 1,7 V och 2,7 V.

− Utmaningen när vi går upp i spänning är att hitta marknadsmöjligheter så att det går att fylla fabben.

General Electric leder dessutom New York Power Electronics Manufacturing Consortium, som tog form för knappt ett år sedan. Konsortiet finansieras av staten New York och över 100 företag, som tillsammans ska investera över 100 miljoner dollar för att utveckla nästa generation material och processer för halvledare med brett bandgap.

I konceptet ingår en fabb där man ska utveckla och tillverka billiga 6-tums SiC-skivor av bra kvalitet. Fabben är inlemmad i SUNY (the State University of New York) och ska på sikt bli ett SiC-foundry.

− Vi har levererat process och verktyg till detta foundry och år 2017 hoppas vi att det är redo för att leverera SiC-tjänster. Till en början kommer kapaciteten att ligga på mellan 10 000 och 20 000 skivor, säger Peter Sandvik och han fortsätter:

− Detta foundry ska kunna ta SiC till den kostnad att dessa komponenter kan konkurrera med IGBT:er i kisel.

New York-satsning är precis som Power America inrikta på att i första hand skapa jobb inom ett teknikområde som man åtminstone i USA ser som oerhört viktigt för att minska energiförbrukningen i framtida elektronikprodukter.

På den amerikanska Energimyndighetens hemsida kan man läsa att halvledare i WBG-material kan minska storleken på nätadaptrar till bärbara datorer till en femtedel och samtidigt minska energiförbrukningen med minst 20 procent. Likaså påstås dessa halvledare kunna minska storleken på kylsystemet i elbilar med cirka 60 procent.

− År 2030 tror jag att 80 procent av system som styr och omvandlar energi till användbar form kommer att använda WBG-halvledare. Det betyder att marknaden för dessa halvledare mycket väl kan komma att växa cirka 22 procent per år, så det handlar om en mycket snabbt växande industri, säger John Muth.