Nonostante il mercato dei semiconduttori di potenza nel 2015, secondo IHS, abbia perso circa il 10% rispetto all’anno precedente, l’evento rivolto quasi esclusivamente a questo settore, a Norimberga dal 10 al 12 maggio, è stato sicuramente un successo. Sia sul fronte del numero di espositori – 436 su 21.500 mq – che di visitatori – più di 10.000 dichiarati da Mesago, la società che gestisce l’evento. Agli espositori si aggiungono poi una novantina di marchi presenti presso gli stand di distributori o partner.
PCIM Europe ha tracciato la storia dei semiconduttori di potenza. Agli inizi degli anni ottanta si è passati dai transistori bipolari ai MOSFET. Il 1990 ha visto l’adozione degli IGBT e il 2000 ha portato in produzione i MOSFET SuperJunction (SJ). Ora si sta per compiere una nuova transizione con il Silicio che, nelle applicazioni di potenza, verrà soppiantato dai nuovi materiali wide band gap: SiC e GaN.
Benvenuti nel mondo Post-Silicon: attenti, potenza “Wide Band Gap”
Se nelle ultime 2/3 edizioni le società che hanno preso la direzione dei semiconduttori “wide band gap” – ovvero SiC e GaN – si erano date da fare con annunci di prodotto anche quest’anno non sono state da meno. La vera differenza è che da casi di studio si è passati a casi concreti riportando le esperienze svolte dai loro clienti.
E’ il caso per esempio di Wolfspeed, nuovo nome di Cree Power, che con i suoi MOSFET da 900 volt ha portato in scena due convertitori DC-DC fa 20 kW con frequenze di commutazione di 200 kHz e che, con topologie leggermente diverse, sono capaci di rendimenti del 98,5% e del 97,4%.
Anche Infineon ha portato alla platea più ampia del PCIM 2016 la sua famiglia di MOSFET CoolSiC da 1200 volt. L’annuncio relativo alla tecnologia era datato circa due anni fa ma fino ad oggi era rimasto chiuso nei laboratori o presso pochi clienti privilegiati.
Significativi i moduli di Potenza ‘full-SiC’ basati sui MOSFET da 1.200V di ROHM Semiconductor. Realizzati con struttura trench UMOS di terza generazione. I nuovi moduli consentono di ridurre del 77% le perdite di commutazione rispetto ai moduli IGBT convenzionali e del 42% ai Moduli SiC che utilizzano la struttura DMOS.
Anche Wolfspeed ha giocato la carta dei moduli full-SiC con un mezzo-ponte da 1200V/325A in un package da 62 mm e una Rds(on) di 3,6 mΩ. Utilizzando questo modulo, il CAS300M12HM2, e i relative gate driver ha realizzato un inverter trifase come demo unit per mostrare le prestazioni ottenibili e la facilità d’uso.
Non possiamo dimenticare STMicroelectronics e i suoi MOSFET-SiC da 1200V/30 e 45A – SCT20/30N120 – e neppure l’ultimo nato da 650V/100A e 22 mΩ tipici (a 150 °C) – SCTW100N65G2AG – ma quest’anno non è stato questo il focus della attenzione di ST.
Anche On Semiconductor ha portato alla ribalta i suoi transistor GaN da 600 V in configurazione cascode realizzati con i FET di Transphorm con cui ha avviato una collaborazione all’inizio del 2015 e United Silicon Carbide si presenta con una famiglia di JFET SiC che nella sua versione a 650 V dice essere particolarmente competitiva.
Mentre Semikron ha presentato la sua linea di moduli full-SiC con potenze da 10 a 350kW a 1200 volt e realizzati con MOSFET di un produttore terzo (che non viene dichiarato). La famiglia, a seconda delle potenze in gioco e delle configurazioni e collocata nei cinque diversi package tipici della società.
Ma, soprattutto si sono evidenziati segni di una maggiore maturità dei prodotti e di una maggiore diffusione degli stessi nella comunità degli OEM. E per i SiC si esplora anche lo spazio: due interventi, uno di Toshiba, che ha avuto la nomination al “Best Paper Award”, e uno dell’Università di Kassel, sui meccanismi di guasto e sulla robustezza ai raggi cosmici dei dispositivi SiC.
Ma il Silicio, come ovvio, non molla
Se prendete il programma delle conferenze e fate una ricerca della parola IGBT troverete più di 40 tra convegni, workshop e tutorial che hanno nel titolo l’IGBT. Ma l’attenzione è stata principalmente rivolta alle tecnologie e ai materiali per packaging con l’obiettivo della affidabilità.
Meno presenti i MOSFET Super Junction con la sola Toshiba che ha annuncialo lo sviluppo della nuova generazione del processo produttivo per MOSFET deep trench che permette di realizzare MOSFET di elevata efficienza. I dispositivi basati sul nuovo processo DTMOS V generano un minor livello di rumore elettromagnetico e sono caratterizzati da una resistenza di conduzione (Rds(on)) ridotta rispetto ai precedenti dispositivi MOSFET DTMOS IV. I primi MOSFET basati sul processo di quinta generazione offriranno tensioni nominali di 600 e 650 V e saranno disponibili in contenitori DPAK (TO-252) e TO-220SIS. La resistenza massima di conduzione sarà compresa nell’intervallo 0,29 – 0,56 Ω.
La potenza in moduli
Secondo IHS i moduli rappresentano circa un terzo del mercato dei semiconduttori i potenza stimato a 17 miliardi di dollari per il 2015 e ovviamente non potevano mancare i quattro big del settore: Mitsubishi, Infineon, Semikron, e Fuji Electric che insieme servono il 65% di questo mercato. Su questo fronte il lavoro di questi signori si è concentrato principalmente sugli aspetti della affidabilità dei package e sull’ulteriore affinamento della tecnologia degli IGBT che ne costituiscono il cuore.
Per l’occasione Mitsubishi Electric ha annunciate la sua nuova generazione di moduli denominata X-Series New Dual HVIGBT per applicazioni nel mondo della trazione e nell’industria pesante. Ma la campionatura per la versione a 3.3kV/450A (LV100) è prevista a Marzo 2017 e seguiranno nel 2018 le versioni a 4,5kV/330A e 6,5kV/225A. Il package è Infineon-compatibile.
Fuji Electric ha continuato ad ampliare la sua serie di moduli basati sulla sua tecnologia IGBT ormai alla settima generazione ponendo particolare attenzione, come sempre, alla affidabilità del package pur portandolo a temperature operative di 150°C. In questa edizione Fuji Electric ha rivolto anche la sua attenzione al mondo dell’auto dedicando un seminario alla tecnologia dei moduli per questo settore specifico.
Autore: Franco Musiari
