Dalla mobilità elettrica alla produzione di energie rinnovabili, fino alle infrastrutture IT, le tecnologie del futuro sono accomunate da un’unica grande sfida: mantenere bassi i costi, lo spazio occupato e il peso dei componenti, senza compromessi in termini di efficienza e qualità del prodotto finale. Nel campo dell’elettronica di potenza, una tecnologia relativamente nuova sta facendo da apripista ad un processo di significativo miglioramento: i semiconduttori in carburo di silicio.
I semiconduttori quali microprocessori, microcontrollori, IGBT, celle solari e diodi emettitori di luce e molte altre componenti vengono utilizzati in tutti i settori industriali, con vendite che, per il 2020, si prevede raggiungano un volume di circa 433 miliardi di dollari a livello mondiale. Tra i principali materiali ad oggi utilizzati per la produzione dei semiconduttori spiccano soprattutto il silicio ed il germanio. Tuttavia, lo sviluppo di tecnologie innovative è limitato dalle perdite di calore che si verificano e dalla limitata velocità di commutazione. Al fine di costruire prodotti sempre più leggeri e meno ingombranti, oltre che caratterizzati da prestazioni elevate, sono indispensabili materiali appropriati: la corsa all’utilizzo del carburo di silicio quale aspetto innovativo per la produzione di semiconduttori è il prossimo passo da compiere.
Maggiore efficienza per le tecnologie del futuro
Ma quali sono i vantaggi offerti dal carburo di silicio per l’elettronica di potenza?
Indipendentemente dal campo e dal settore di applicazione, rispetto ai semiconduttori elementari convenzionali, i semiconduttori in carburo di silicio garantiscono un maggiore livello di efficienza delle tecnologie. Tale aspetto è principalmente legato ad una perdita di energia, in termini di dispersione di calore, significativamente inferiore. Inoltre, la carica inversa dei semiconduttori al carburo di silicio è più bassa, fattore che comporta una maggiore potenza di commutazione e, quindi, meno energia necessaria nella fase di accensione e di spegnimento. Un‘elevata densità di potenza richiede un minor utilizzo di componenti per ottenere le stesse prestazioni degli altri semiconduttori, risparmiando spazio prezioso. L’aumento di efficienza offerto dai semiconduttori al carburo di silicio nell’ambito dell’elettronica di potenza, porterà questo elemento a giocare un ruolo da protagonista nel processo di progresso tecnologico in una vasta gamma di settori. Oltre all’aumento dell’efficienza, una minore perdita di calore offre un altro vantaggio: nella fase finale di espansione è richiesto meno spazio e si deve tener conto di un peso inferiore per i dissipatori di calore. In alcune applicazioni è persino possibile fare a meno del raffreddamento attivo tramite ventole. Nella mobilità elettrica, ad esempio, si può ottimizzare un fattore centrale che finora ha dissuaso i consumatori dall’acquistare un veicolo elettrico: l’autonomia.
Poiché ogni grammo in più di peso gioca un ruolo fondamentale, l’efficienza di questi veicoli è significativamente aumentata dall’uso del carburo di silicio. Inoltre, il carburo di silicio ha una larghezza di banda più ampia rispetto al silicio puro, fattore che assicura l’utilizzo della tecnologia anche ad alte temperature di esercizio. Un secondo aspetto riguarda il materiale, che essendo caratterizzato da una resistenza ad alta tensione risulta ideale per l’impiego nella tecnologia fotovoltaica. L’industria dipende quindi anche dai semiconduttori ad alte prestazioni per la generazione di energie rigenerative. In questo caso, i componenti in carburo di silicio consentono rendimenti più elevati per i produttori di energia, grazie a perdite ridotte al minimo attraverso la commutazione, ad esempio. Ma anche i data center stanno diventando più efficienti e potenti utilizzando questa tipologia di semiconduttori.
Con la crescente diffusione di applicazioni IoT e AI e la migrazione verso il cloud, l’aumento dell’efficienza nella gestione delle infrastrutture IT ad alta intensità energetica diventerà sempre più importante.
Intensità di costo della tecnologia
Nonostante i numerosi aspetti positivi che potrebbero far avanzare ulteriormente lo sviluppo delle tecnologie future, i semiconduttori al carburo di silicio non hanno finora minimamente raggiunto il livello di diffusione dei semiconduttori elementari e sono ancora prodotti in quantità relativamente limitate. La ragione è da attribuirsi principalmente ai costi derivanti da un processo di produzione del materiale piuttosto complesso e oneroso. Rispetto ai semiconduttori di silicio puro, infatti, gli atomi di carbonio vengono introdotti nella struttura molecolare del silicio cristallino durante la fase di produzione, creando così un legame potente e resistente del materiale.
Alcuni noti produttori hanno già investito cifre esorbitanti in nuovi impianti di produzione per componenti in carburo di silicio su larga scala. Nei prossimi anni potremmo assistere ad una significativa riduzione dei costi, legata ad una diffusione sempre maggiore di questo materiale nel campo dell’elettronica dei semiconduttori. reichelt elektronik è già presente in questo settore con i suoi i diodi Schottky, i MOSFET e i cascode SiC di Infineon, STM, ROHM, Wolfspeed e UnitedSiC e sarà protagonista di un ampliamento graduale del proprio portfolio prodotti nel medio termine.
