Soluzioni innovative dall’elettronica ad alta potenza per la decarbonizzazione
Oggi, la tendenza alla digitalizzazione e all’elettrificazione spinge alla necessità di convertire l’energia elettrica in modo efficiente in termini di costi. I sistemi di elettronica di potenza e quindi i semiconduttori di potenza sono componenti essenziali in quasi tutte le fonti di energia rinnovabile. Il progetto Power2Power, finanziato dall’UE, mirava a offrire soluzioni alle sfide sociali, come la trasformazione verde, attraverso le tecnologie del transistor bipolare a gate isolato (IGBT) avanzate e sostenibilmente competitive a base di silicio (Si) per l’elettronica ad alta potenza. Il progetto, che è stato coordinato da Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG, in Germania, ha coinvolto 43 partner di progetto provenienti da otto paesi europei. «Sebbene i nuovi materiali per semiconduttori di potenza come il carburo di silicio (SiC) o il nitruro di gallio (GaN) svolgano un ruolo importante nel sostenere la conversione efficiente verso un approvvigionamento energetico sostenibile e indipendente, è presumibile che i semiconduttori di potenza a base di silicio domineranno il mercato anche oltre il 2030», afferma Jochen Koszescha, responsabile del pacchetto di lavoro 1. «Occorre migliorare ancora le prestazioni e la forza della catena del valore europea per questi prodotti.»
Dispositivi innovativi a semiconduttore di potenza a base di silicio
Power2Power è riuscito a ottenere miglioramenti nella produzione economicamente efficiente di lingotti di silicio per wafer da 300 mm di alta qualità e ad alte prestazioni, che comportano miglioramenti delle prestazioni degli IGBT a base di silicio per livelli di tensione superiori a 1 700 V. Grazie al progetto Power2Power è stato sviluppato un IGBT avanzato con micro-pattern trench (MPT) che supera gli approcci attuali e un servizio di fonderia europea ad accesso aperto che offre una tecnologia di isolamento integrata. Power2Power ha inoltre combinato la ricerca sugli sviluppi tecnologici, le capacità produttive e le indagini sull’affidabilità, affrontando le vaste aree di applicazione dell’elettronica di potenza nel settore automobilistico, industriale e della trazione, con particolare attenzione all’integrazione delle energie rinnovabili e della rete elettrica. Questa ricerca ha richiesto lo studio di molteplici processi di produzione di semiconduttori nuovi o migliorati per gli IGBT relativi all’impiantazione ionica, alla metallizzazione, all’ottimizzazione del dispositivo e della resa o alla prevenzione della contaminazione. Il progetto è riuscito, lungo tutta la catena del valore, a innovare o migliorare più metodi di produzione, come la saldatura dei chip senza pressione, l’incollaggio dei fili, la sinterizzazione delle clip e l’imballaggio automatizzato. Altrettanto importante è stata l’implementazione delle competenze nei luoghi di lavoro industriali, supportata dalla realtà aumentata (AR), anche per quanto riguarda nuove conoscenze dalle procedure di assemblaggio e manutenzione nelle linee pilota del progetto. Power2Power ha inoltre introdotto nuovi segmenti di servizio per l’analisi dei guasti dei moduli di potenza e per i test sui materiali relativi agli effetti dell’invecchiamento nei moduli di potenza. Il progetto ha permesso di fornire soluzioni di potenza ad alta tensione significativamente migliorate per ridurre notevolmente le emissioni di CO2, dimostrando con successo l’affidabilità e la robustezza necessarie nei settori applicativi dei trasporti e dei macchinari. La conversione dell’energia ha raggiunto un’efficienza superiore al 98 % per i convertitori e i sistemi di trasmissione dei veicoli elettrici. Il costo dei caricatori di energia per il materiale rotabile è stato ridotto del 30 % e la durata dei caricatori per i veicoli elettrici è stata prolungata di 1,5 volte.
Contribuire alla posizione di leadership dell’Europa nell’industria ECS attraverso la crescita della produzione di IGBT
L’approccio di Power2Power all’innovazione attraverso la collaborazione tra università europee, centri di ricerca e sviluppo, grandi imprese e PMI consente la creazione di nuove relazioni strategiche e il rafforzamento di quelle esistenti, portando a una significativa espansione dell’ecosistema europeo dell’elettronica di potenza. «I primi risultati del progetto Power2Power hanno trovato la strada per un’ulteriore industrializzazione e per l’utilizzo da parte del potenziale cliente», afferma Koszescha. «Le linee pilota sono pronte per l’espansione che permetterà di gestire le prossime esigenze di dispositivi a semiconduttore di potenza per l’indipendenza europea nel settore dell’energia.»
Parole chiave
Power2Power, semiconduttori di potenza, silicio, IGBT, conversione di energia, produzione di semiconduttori, mobilità, energie rinnovabili, riduzione di CO2, miglioramento della durata di vita, decarbonizzazione, digitalizzazione, elettrificazione
