Le tecnologie trasformative, come l’intelligenza artificiale, i veicoli elettrici e i sistemi di produzione di energia rinnovabile, stanno dando origine a una massiccia domanda di semiconduttori di potenza ad alte prestazioni. Tali applicazioni condividono requisiti tecnici comuni – la necessità di densità di potenza più elevate, una maggiore efficienza e una migliore gestione termica – e allo stesso tempo operano su scale in cui i miglioramenti incrementali si traducono in miliardi di dollari di risparmio energetico.
Per i fornitori di semiconduttori, queste tecnologie rappresentano una notevole opportunità. I progressi nelle tecnologie MOSFET e IGBT su silicio, l’emergere di materiali a banda larga come il carburo di silicio (SiC) e le tecnologie di packaging avanzate determineranno una diffusione costante di componenti di potenza con funzione critica in diversi mercati ad alta crescita. Combinati con l’impegno a lungo termine verso la produzione sostenibile, questi driver offrono un’opportunità straordinaria ai produttori di semiconduttori di porre le basi per l’eccellenza nell’elettronica di potenza di prossima generazione.
Investire nelle infrastrutture
Per capitalizzare questa crescita del mercato, i fornitori di semiconduttori si stanno preparando per un intenso periodo di innovazione. Toshiba, ad esempio, identifica nell’infrastruttura AI, nella mobilità elettrica e nei sistemi per l’energia rinnovabile i principali fattori del progresso dell’elettronica nei prossimi decenni, e si è impegnata ad agire per capitalizzare le opportunità che ci attendono. Un piano di rilancio pluriennale ha portato a investimenti sostenuti in infrastrutture che guidano l’innovazione nell’elettronica di potenza e supportano lo sviluppo di applicazioni all’avanguardia.
In Giappone, ad esempio, il completamento di un nuovo impianto di fabbricazione di wafer da 300 millimetri nella prefettura di Ishikawa ha determinato un aumento della capacità produttiva di semiconduttori di potenza di Toshiba, principalmente MOSFET e IGBT, pari a 2,5 volte rispetto ai valori del 2021, quando è stato effettuato il piano di investimenti. Nel frattempo, la costruzione di un impianto di produzione di back-end ad alta tecnologia nella prefettura di Hyogo supporta l’assemblaggio, il confezionamento e il collaudo altamente automatizzati di un’ampia gamma di semiconduttori discreti per applicazioni come i veicoli elettrici.
È importante sottolineare che il piano di rilancio aderisce a una strategia al contempo globale e locale per soddisfare la domanda di semiconduttori di potenza nelle principali regioni del mondo. Ciò comporta il rafforzamento della presenza dell’azienda in Europa per costruire connessioni più profonde con il mercato e fornire prodotti e soluzioni su misura. Pertanto, Toshiba mantiene infrastrutture in Paesi come Germania, Francia, Italia, Spagna, Svezia e Regno Unito, che offrono una prospettiva informata sui singoli mercati.
Sviluppo di nuovi prodotti
Quindi, in che modo questi investimenti in ricerca, sviluppo e stabilimenti di produzione si stanno trasformando in innovazione a livello di prodotto? La risposta risiede nei numerosi e significativi progressi tecnologici in settori quali i MOSFET SiC ad alta efficienza energetica, gli IGBT, i diodi e i gate driver.
Diamo un’occhiata più da vicino ad alcune di queste innovazioni. In primo luogo, c’è lo sviluppo di nuovi MOSFET in carburo di silicio (SiC) da 1200 V che raggiungono una resistenza di conduzione inferiore del 30% attraverso una disposizione a griglia di diodi a barriera Schottky (SBD) incorporati, specificamente progettati per gli inverter di trazione per automotive. Il nuovo design migliora l’efficienza energetica mantenendo un’elevata affidabilità durante le fasi di conduzione inversa, un problema critico che interessa i MOSFET SiC tradizionali. Con i motori elettrici che consumano oltre il 40% dell’energia elettrica globale, questi dispositivi di potenza più efficienti contribuiranno in modo sostanziale al risparmio energetico e agli sforzi volti a migliorare la sostenibilità dei veicoli elettrici e delle applicazioni di controllo dei motori. Inoltre, per favorire una maggiore ottimizzazione della tecnologia SiC, Toshiba sta sviluppando un MOSFET SiC di nuova generazione che utilizza la tecnologia Trench, la quale migliora la robustezza di commutazione induttiva (UIS), e dei diodi a barriera Schottky a super giunzione al SiC che contrastano l’aumento di resistenza alle alte temperature. Entrambi contribuiscono a ridurre la resistenza fornendo alti livelli di affidabilità.
Gli IGBT e i diodi rappresentano un’altra area di innovazione. Toshiba vanta oltre 20 anni di esperienza nella produzione di IGBT/diodi, con un record di mercato di oltre 300 milioni di unità e una storia comprovata di bassissimi tassi di difettosità. A tale scopo, l’ultimo progresso relativo a un IGBT a conduzione inversa su silicio, che combina un IGBT e un diodo di ricircolo su un singolo die, spinge ulteriormente i confini dell’innovazione. Questo approccio riduce l’area su chip degli elementi semiconduttori di potenza offrendo al contempo una bassa resistenza termica dovuta alla presenza di un’ampia area di dissipazione del calore. L’IGBT a conduzione inversa contribuisce alla miniaturizzazione di soluzioni come i sistemi di inverter di trazione. Guardando al futuro, esiste il potenziale per ottimizzare ulteriormente i progetti. Eliminando l’ulteriore iniezione di lacune dal lato IGBT durante il funzionamento del diodo di ricircolo, le caratteristiche di quest’ultimo vengono migliorate senza compromettere le caratteristiche dell’IGBT.
In terzo luogo, Toshiba fornisce una gamma di dispositivi di protezione e isolamento, inclusi i fotoaccoppiatori e i fotorelè ad alta tensione per i sistemi di gestione delle batterie per automotive, nonché nuove generazioni di isolatori digitali. Un punto chiave in vista dell’ottimizzazione dei futuri sistemi su cui Toshiba sta attualmente lavorando è una tecnologia di gate driver Active Gate Control che aiuta a controllare i MOSFET e gli IGBT SiC in modo più efficace, risolvendo il compromesso tra le perdite di commutazione e il rumore e ottimizzando il gate drive durante la commutazione. Anche se i dettagli tecnici sono ancora in fase di elaborazione, i test interni hanno dimostrato che, controllando la forza dell’azionamento con sincronizzazione ottimale, questo Active Gate Control è in grado di offrire miglioramenti in termini sia di sovratensioni che di perdite, rispetto a una soluzione standard di controllo della velocità di rotazione basato sulla tensione, e fornisce miglioramenti significativi di prestazioni.
Ottimizzazione dei progetti
Queste sono solo alcune delle innovazioni di prodotto che contribuiscono a inaugurare una nuova era dell’elettronica di potenza. Tuttavia, i progressi tecnologici devono far parte di una strategia di ottimizzazione più completa, che va oltre le prestazioni dei singoli componenti per assicurare fattori chiave come la robustezza e costi competitivi per applicazioni specifiche. L’innovazione del packaging ne è un ottimo esempio: gli ingegneri Toshiba si concentrano su aree critiche come la gestione termica avanzata, l’aumento dell’affidabilità e fattori di forma compatti che migliorano le prestazioni complessive del sistema semplificando i processi di produzione.
Anche l’integrazione a livello di sistema è importante. Le famiglie di prodotti complementari, tra cui le MCU, i gate driver e i dispositivi di isolamento, devono essere progettate per funzionare insieme garantendo la massima efficienza. Toshiba raggiunge questo obiettivo attraverso la fornitura di progetti di riferimento, di modelli di simulazione, del supporto alla simulazione a livello di sistema e di un approccio alla progettazione basato su modelli.
Oltre alle soluzioni su semiconduttore a livello di dispositivo, VNET DCP è un esempio di come Toshiba Digital Solutions Corporation stia affrontando la simulazione a livello di sistema. Questo software di simulazione ad alto livello connette un gran numero di modelli di simulazione e diversi tool di sviluppo, ottenendo in questo modo un ambiente collaborativo per lo sviluppo tra più team e aziende basato sui modelli. La piattaforma basata su cloud consente alle aziende di testare sistemi di veicoli complessi, come la guida autonoma, in uno spazio di lavoro digitale sicuro. I produttori e i fornitori possono collegare modelli di computer per eseguire test su larga scala senza condividere i loro progetti segreti. VNET DCP gestisce automaticamente il compito complesso di collegare diversi tool e modelli di simulazione, consentendo ai team di controllare i test da remoto da un’unica posizione. Questo approccio collaborativo consente alle aziende di identificare i problemi in anticipo, di migliorare la qualità e di sviluppare prodotti migliori più rapidamente.
Attività aziendali sostenibili
Questo approccio globale fornisce una base solida per il progresso continuo dell’elettronica di potenza. Toshiba è anche impegnata nella ricerca e nello sviluppo a lungo termine per accelerare funzionalità più ampie e all’avanguardia che promuovono il raggiungimento della neutralità del carbonio e di un’economia circolare attraverso la digitalizzazione. Ad esempio, il Regenerative Innovation Center di Düsseldorf, in Germania, fungerà da polo centrale di ricerca sui dispositivi, come le batterie e i semiconduttori; sull’energia, con particolare attenzione verso le risorse rinnovabili, sull’idrogeno e sulla gestione dell’energia; sulle soluzioni con emissioni di carbonio negative, che comprendono la cattura, lo stoccaggio e l’utilizzo della CO2; e sulle piattaforme digitali, finalizzate a sfruttare i dati sull’energia e sulla CO2.
Anche la sostenibilità costituisce un fattore chiave. Toshiba è un membro attivo del Carbon Disclosure Project ed è stata inoltre nominata per il terzo anno consecutivo come “Supplier Engagement Leader” dall’organizzazione internazionale senza scopo di lucro CDP nell’ambito della valutazione del coinvolgimento dei fornitori nel 2024. Nel frattempo, l’iniziativa Environmental Future Vision 2050 del Gruppo Toshiba fornisce un piano di azione per una società più sostenibile.
In breve, Toshiba riconosce la natura trasformativa di tecnologie come l’intelligenza artificiale, i veicoli elettrici e i sistemi di energia rinnovabile e l’impatto positivo che avranno sulla società nel suo complesso. Con le persone, i prodotti e i processi giusti, Toshiba si impegna a sostenere il progresso di queste innovazioni attraverso “l’eccellenza nella potenza”, sia ora che in futuro.
di Armin Derpmanns, 
Vice Presidente della Divisione Marketing & Operazioni Aziendali
di Toshiba Electronics Europe GmbH
