SiC และ GaN วัสดุเปลี่ยนโลกพลังงาน พลิกอนาคต EV และ Data Center

อุปกรณ์พื้นฐานอย่าง Power Module ก็ต้องพัฒนาไปพร้อมกัน การเปลี่ยนจากการใช้ซิลิคอน (Si) แบบเดิมมาเป็น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ไม่ได้เป็นเพียงแค่การเปลี่ยนวัสดุเท่านั้น แต่มันคือการยกระดับหัวใจ ของระบบไฟฟ้าใน ยานยนต์ไฟฟ้า (EV) และ Data Center ให้มีประสิทธิภาพสูงสุดในระดับที่ซิลิคอนธรรมดาไม่สามารถตามทันได้อีกต่อไป

SiC & GaN คืออะไร และทำไมถึงสำคัญ

Silicon Carbide (SiC) และ Gallium Nitride (GaN) คือวัสดุกึ่งตัวนำ (Semiconductor Material) ในกลุ่ม Wide Bandgap (WBG) ซึ่งหมายถึงวัสดุที่มีช่องว่างพลังงาน (Bandgap) กว้างกว่าซิลิคอนธรรมดาอย่างมาก Bandgap ที่กว้างนี้ทำให้ SiC และ GaN สามารถ

• ทนแรงดันไฟฟ้าที่สูง (High Voltage)
• ทนความร้อนได้ดี (High Thermal Stability)
• เปิด-ปิดสวิตช์ได้เร็วมาก (High Switching Speed)
• และมีความสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำมาก (Low Power Loss)

ในระบบที่ต้องการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น อินเวอร์เตอร์ของ EV หรือ Supply ของ Server ขนาดใหญ่ ความสามารถเหล่านี้มีความหมายต่อประสิทธิภาพโดยรวมมหาศาล ทั้งในแง่การลดการสูญเสียพลังงาน การย่อขนาดของระบบ และการลดต้นทุนการระบายความร้อน

บทบาทของ SiC และ GaN ใน EV และ Data Center

ในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) การแปลงพลังงานจากแบตเตอรี่ไปสู่มอเตอร์ต้องการระบบอินเวอร์เตอร์ที่มีความสามารถสูง ทั้งในการจัดการกระแสไฟฟ้าและลดความร้อนสะสม SiC เป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับระบบนี้ เพราะมันสามารถทำงานที่แรงดันสูง (เช่น 800V) ได้โดยมีความสูญเสียต่ำกว่าซิลิคอนธรรมดา 50–70%

ผลลัพธ์ที่ได้คือรถยนต์สามารถชาร์จเร็วขึ้น มีระยะวิ่งไกลขึ้น และระบบมอเตอร์มีขนาดเล็กลง เบาลงอย่างชัดเจน นอกจากนี้ การใช้ SiC ยังช่วยลดความต้องการระบบระบายความร้อนขนาดใหญ่ ทำให้ลดต้นทุนและน้ำหนักของยานยนต์ได้อีกด้วย

ในด้าน Data Center ซึ่งต้องการพลังงานอย่างมหาศาลตลอด 24 ชั่วโมง GaN มีข้อได้เปรียบชัดเจน เพราะมันสามารถทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งสูง (มากกว่า 1MHz) ได้อย่างเสถียร ช่วยลดขนาดหม้อแปลงและตัวกรองในระบบจ่ายไฟ (SMPS – Switch Mode Power Supply)

ระบบจ่ายไฟที่ใช้ GaN มีขนาดเล็กลง แต่สามารถส่งกำลังได้มากขึ้น และที่สำคัญที่สุดคือ ประหยัดพลังงาน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อค่าใช้จ่ายด้านพลังงานใน Data Center ขนาดใหญ่ที่ต้องคำนวณค่าใช้จ่ายระดับหลายล้านเหรียญต่อปี

แล้ว SiC และ GaN ดีกว่า Si อย่างไรในเชิงเทคนิค

หากเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุแบบละเอียด จะเห็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง Si, SiC และ GaN เช่น

• Breakdown Voltage ของ SiC สูงกว่าซิลิคอนประมาณ 10 เท่า นั่นหมายถึงอุปกรณ์ SiC สามารถทำงานที่แรงดันสูงกว่าโดยไม่พังง่าย
• Thermal Conductivity ของ SiC สูงกว่าซิลิคอนถึง 3 เท่า ช่วยระบายความร้อนได้ดีขึ้น
• Critical Electric Field ของ GaN สูงกว่าซิลิคอนถึง 10 เท่า ทำให้สามารถผลิตอุปกรณ์ที่บางกว่า แต่ทนแรงดันได้สูงกว่า
• Switching Speed ของ GaN เร็วกว่า Si ประมาณ 10–100 เท่า ซึ่งเป็นเหตุผลที่ GaN เหมาะกับแหล่งจ่ายไฟความถี่สูง

เมื่อนำคุณสมบัติเหล่านี้มาประกอบกับการออกแบบ Module ที่มีการจัดการ Thermal, EMI และ Mechanical Stress อย่างเหมาะสม ก็จะได้ Power Module ที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าอย่างเห็นได้ชัด

ความท้าทายในการผลิต SiC และ GaN Module

แม้ SiC และ GaN จะมีข้อดีมากมาย แต่การผลิตและประกอบ Module จากวัสดุเหล่านี้มีความท้าทายสูงเช่นกัน

ในกรณีของ SiC, การทำ Bonding และ Sintering ต้องใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อที่สามารถทนต่ออุณหภูมิการทำงานสูงกว่า 175°C อย่างต่อเนื่องได้ การเลือกวัสดุ Die Attach และ Substrate เช่น AMB (Active Metal Brazed) หรือ DBC (Direct Bonded Copper) จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

สำหรับ GaN, เนื่องจากทำงานที่ความถี่สูงมาก จึงต้องออกแบบ Layout ของ PCB ให้มีความต้านทานต่ำและลด EMI ลงอย่างสุดขีด การควบคุม parasitic inductance และการวางตำแหน่งของ Ground plane จึงมีผลต่อประสิทธิภาพของทั้งระบบโดยตรง

อีกทั้งทั้งสองเทคโนโลยีต้องการความละเอียดในกระบวนการ Assembly และ Testing สูงกว่าชิ้นส่วนที่ใช้ซิลิคอนธรรมดาอย่างมาก จึงต้องอาศัยเครื่องมือ AOI, X-ray Inspection และ Thermal Cycle Testing ขั้นสูงในการควบคุมคุณภาพ

SiC และ GaN คือวัสดุแห่งอนาคตที่โรงงานไทยต้องรู้จัก ?

การเข้าใจและเตรียมความพร้อมสำหรับ SiC และ GaN ไม่ใช่เรื่องไกลตัวอีกต่อไป โดยเฉพาะสำหรับอุตสาหกรรมในประเทศไทยที่ต้องการขยับจากการผลิตเพื่อการประกอบ (Assembly) ไปสู่การผลิตที่สร้างมูลค่าเพิ่มสูง (High Value-Added Manufacturing)

ในอนาคตที่ EV จะกลายเป็นกระแสหลัก และที่ Data Center จะขยายตัวด้วยความต้องการ AI และ Cloud Computing การมีความรู้ ความเข้าใจ และศักยภาพในการผลิตหรือประกอบ Power Module ที่ใช้ SiC และ GaN จึงไม่ใช่แค่ ทางเลือกแต่เป็นทางรอด ของอุตสาหกรรมไทยบนเวทีโลก

Ref :

• https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gen-4-silicon-carbide-technology-redefining-performance-and-durability-in-high-power-applications/
• https://pubs.aip.org/aip/apr/article/11/3/031322/3312258/The-role-of-gallium-nitride-in-the-evolution-of
• https://gansystems.com/market-insights/data-center-5g/
• https://www.sandia.gov/files/ess/docs/other/SIC_Power_Module_SAND2009-1903P.pdf
• https://www.ti.com/technologies/gallium-nitride.html