Kiselkarbid i Kista – KTH ledare i elektrifieringen

Det mesta i vårt moderna el-samhälle kommer att behöva spänningsomvandlare med kiselkarbidtransistorer, såväl på el-produktionssidan som på förbrukarsidan och för HVDC-överföringar över längre sträckor. Bilderna visar megawatt-tillämpniingar där de flesta inte har plats med allt för stora omvandlarenheter.

Published by

Redaktionen - 9 Dec, 2025

Av Jörgen Städje

Nu är den igång – produktionslinjen för krafthalvledare på Electrumlab vid Kungliga Tekniska Högskolan i Kista. Eftersom hela världen ska elektrifieras kommer behovet av krafthalvledare att öka markant.

Knappt någon klarar sig utan spänningsomvandlare (inverter, växelriktare) idag, alltså elektroniska enheter som kan omvandla likspänning till växelspänning eller tvärt om, och ändra spänningsnivåer.

Omvandlarna finns i hemelektronik, såväl som batteriladdare, elbilar och deras laddare, solkraftanläggningar, vindkraft och tillhörande batterilager, järnvägslokomotiv, som drivdon för maskiner i industrin, drivare för pumpar och ventiler i kraftverk av olika slag och i framtiden också i drivdon för elektromagneter och pumpar i fusionsreaktorer. I kraftnätet används de dels för spänningsomvandling och dels för lik- och växelriktning för kraften till och från sjökablar för elkraftexport.

När en eldriven lastbil laddas med flera megawatt måste det finnas halvledare som är kapabla att styra energiflödet. För tillverkningen av dessa behövs nya tillverkningslinjer som kan frigöra Europa från beroendet av Asien. Det har EU insett och projektet Chips Joint Undertaking har resulterat i fyra linjer i Europa. Totalt sätter Chips JU av 1,67 miljarder Euro för detta.

Vi talar med professorn i fasta tillståndets elektronik, Mikael Östling, som driver projektet vid Electrumlab i Kista, tillsammans med teknikledaren professor Per-Erik Hellström:

– Tillverkningslinjen är den första i sitt slag i Sverige som kan leverera komponenter i megawattklassen, tillverkade i kiselkarbid på 150 millimeters skivor. Arbetet går snabbt och KTH kommer att bli först med att leverera sina komponenter i hela pilotlinjen. Vi planerar att vara klara med processteknologin under sen vår och kan förhoppningsvis leverera komponenter till en öppen testmarknad för akademin, instituten och industrin vid halvårsskiftet nästa år.

En 150 millimeters kiselkarbidskiva som är klar för sågning i individuella komponenter. Bild: KTH.

En produktionslinje i en halvledarfabrik ser inte ut som i en bilfabrik. Det finns inga löpande band. Halvledare framställs genom att den nakna kiselkarbidbrickan beläggs med olika beläggningar, exponeras, framkallas, implanteras och beläggs med metallager i ett antal olika maskiner. Maskinerna syns inte för de befinner sig bakom en vägg i extremt dammfria renrum (höger), medan personalen, som bär kiselbrickorna mellan maskinerna befinner sig i ett renrum utanför (vänster). Kiselbrickorna finns i dammtäta kassetter, som sätts i maskinens interface (grå luckan i alkoven), en robot tar bricka efter bricka, stoppar dem i maskinen, maskinen gör sitt jobb varefter roboten sätter tillbaka brickan i kassetten. När kassetten är klar, bärs den till nästa maskin.

Produktionslinjen

KTHs produktionslinje har fått namnet ”WBG Pilot Line för kraftelektronik” (Wide Bandgap semiconductors) och EU-budgeten för samarbetet med Finland, Polen, Österrike, Italien, Frankrike och Tyskland är satt till cirka 2 miljarder kronor, varav Sverige får ta del av cirka 150 miljoner. Sverige ligger långt framme i utvecklingen och det finns produktionslinjer vid KTH, Lunds Universitet, Chalmers och Linköpings Universitet, den sk Myfab-organisationen.

För just KTH är det kiselkarbid som gäller, men det finns andra, ännu extremare material som utforskas i andra laboratorier, som aluminiumnitrid, galliumoxid och diamant!

Mera om bandgap

Stort bandgap (wide bandgap) innebär i korthet att transistorerna kan hantera mycket höga temperaturer, strömmar, spänningar och frekvenser, uppåt 300 grader, flera hundra ampere och 3-15 kilovolts spänning vid switchfrekvenser uppåt 10 kilohertz. Allt detta för att hålla verkningsgraden i megawatt-tllämpningar uppe och värmeförlusterna nere.

Den höga verkningsgraden hos SiC transistorer kommer av att transistorerna kan designas för väldigt lång ledningsresistans men ändå klarar hög spänning. Det beror på egenskaperna för material med stort bandgap. Materialet har dessutom en mycket bra termisk ledningsförmåga – billigare att kyla och en möjlighet att bygga kompaktare, effektivare omvandlarenheter.

Gula rummet: När en kiselbricka belagts med fotoresist och exponerats med ett komponentmönster är den ljuskänslig. Därför hanteras den i ofarligt gult ljus tills mönstret framkallats och brickan är färdig för vidare behandling.

Framtiden

Det är inte många som vet att Sverige är en framstående nation inom halvledarframställning, men förhoppningsvis kommer det att ändras. Sverige är välrenommerat som elkraft-nation. Svenska Kisab är duktiga på att ta fram högkvalitativa kiselskivor i stark konkurrens med Kina. Electrumlab är med i svängen och levererar state-of-the-art-komponenter för mycket höga effekter.

Avslutningsvis: När allt ska elektrifieras, ska man tänka på att spänningsomvandlare med nya, högeffektiva halvledare med hög verkningsgrad är oerhört ”gröna” och bra för klimatet.