Bosch avvia la produzione in serie di chip in carburo di silicio
A Reutlingen Bosch è ormai pronta a passare dai chip di pre-produzione a quelli sfornati su larga scala: attirano per la loro tecnologia che permette autonomie di marcia maggiori e tempi di ricarica più rapidi nelle auto elettriche
I semiconduttori in carburo di silicio (SiC) sono piccoli, potenti ed estremamente efficienti. Dopo uno sviluppo durato diversi anni, Bosch ha appena confermato l’avvio della produzione su larga scala di semiconduttori di potenza con questo materiale innovativo per fornire le case auto di tutto il mondo, che li impiegheranno sempre più frequentemente nei nuovi veicoli.
“Per i semiconduttori in carburo di silicio si profila un futuro brillante. Puntiamo a diventare leader mondiali nella produzione di questi componenti indispensabili per la mobilità elettrica”, ha dichiarato nella nota ufficiale Harald Kröger, membro del board Bosch.
Due anni fa il maggior gruppo globale della fornitura automotive aveva reso nota l’intenzione di accelerare lo sviluppo dei chip in SiC e di avviarne la produzione. A tale scopo Bosch ha sviluppato un proprio processo di produzione altamente complesso, con cui dall’inizio del 2021 vengono prodotti i semiconduttori speciali, in una prima fase solo come modelli per i test presso i clienti. “Siamo pieni di ordini. La mobilità elettrica sta registrando un vero e proprio boom”, ci tiene a sottolineare Kröger.
In futuro Bosch intende aumentare la capacità di produzione dei semiconduttori di potenza in SiC raggiungendo volumi di centinaia di milioni. A tale scopo l’azienda sta già anche ulteriormente incrementando la superficie delle clean room nello stabilimento di Reutlingen, non lontano da Stoccarda. In parallelo si lavora inoltre alla seconda generazione di chip SiC, che sarà ancora più efficiente e pronta per la produzione su larga scala dal 2022.
Lo sviluppo dei processi di produzione innovativi per chip in SiC Bosch ha il supporto del ministero tedesco per gli Affari Economici e l’Energia (BMWi) quale parte di uno specifico IPCEI approvato; ovvero un progetto riconosciuto d’interesse continentale dalle istituzioni di Bruxelles e quindi esentato dalle abituali norme sugli aiuti di stato, come è avvenuto anche per altri settori molto innovativi quali le batterie o l’idrogeno.
Il primo semiconduttore in carburo di silicio è uscito da una linea della concorrente Infineon nel 2001 e da allora il loro spazio è cresciuto: la società di ricerca di mercato e di consulenza francese Yolé stima che l’intero mercato del SiC registrerà ogni anno una crescita media del 30% fino al 2025 raggiungendo $2,5 miliardi, circa $1,5 miliardi dei quali provenienti dall’automotive.
È stata Tesla a rendere attraente il settore per i produttori, da quando nel 2017 è diventata la prima casa a montare sull’inverter di una sua auto elettrica SiC MOSFET realizzati a Catania da STMicroelectronics. Da allora Hyundai, BYD, Nio, General Motors e molti altri la stanno seguendo.
Questo perché nell’elettronica di potenza dei veicoli elettrici, chip come questi contribuiscono ad assicurare un’autonomia molto più lunga con una sola carica della batteria: in media il 6% circa in più rispetto ai corrispondenti in silicio.
Una crescita dell’autonomia che sarebbe ottenuta in modo molto più dispendioso se lo stesso incremento di autonomia dovesse essere ottenuto attraverso la batteria e le sue celle. “I semiconduttori di potenza in carburo di silicio permettono di utilizzare l’energia in modo particolarmente efficiente. Questi vantaggi emergono soprattutto nelle applicazioni a uso intensivo di energia, come la mobilità elettrica”, ha confermato Kröger.
Finora in Europa i gruppi auto, inclusi quelli che avevano già prodotto elettriche pure, erano stati meno entusiasti verso questa tecnologia; ma le cose stanno rapidamente cambiando. Come conferma ad esempio all’interno della strategia sui futuri modelli elettrici puri ed ibridi Renault, la più stretta collaborazione con partner come STMicroelectronics per lavorare a soluzioni basate su SiC (e anche all’alternativa GaN che, come i precedenti MOSFET al silicio, viene considerata ancora interessante per applicazioni sotto il range di 700V).
Per poter soddisfare l’aumento costante della domanda prevista per i semiconduttori, la superficie delle clean room nella nuova wafer fab di Reutlingen è stata incrementata di 1.000 metri quadrati già nel 2021. Entro la fine del 2023 si aggiungeranno ulteriori 3.000 metri quadrati. Stanno nascendo impianti di produzione ultramoderni, in cui i semiconduttori in carburo di silicio vengono prodotti con processi sviluppati in proprio. Gli specialisti Bosch si basano su un know-how decennale nella produzione di chip.
In futuro l’azienda (unico fornitore del settore automotive ad avere una produzione propria di chip in carburo di silicio) prevede di produrre i semiconduttori su wafer da 200 millimetri. Rispetto a quelli attualmente utilizzati, con un diametro di 150 millimetri, si possono ottenere importanti effetti di scala: un wafer impiega sempre diversi mesi per superare le diverse centinaia di fasi di processo che si svolgono in una lunga serie di attrezzature. Ma secondo gli esperti tedeschi la produzione su wafer di dimensioni maggiori consentirà di produrre molti più chip in ciascun ciclo di produzione, raggiungendo più clienti.
Il segreto delle impressionanti prestazioni dei chip in SiC è un minuscolo atomo di carbonio inserito nella struttura cristallina del silicio ad alta purezza, solitamente utilizzato per la produzione di semiconduttori, conferendo alla materia prima particolari caratteristiche fisiche: così, i semiconduttori in carburo di silicio permettono frequenze di commutazione maggiori rispetto ai chip in silicio.
Inoltre, molta meno energia va persa sotto forma di calore, secondo Bosch fino al 50%, mentre altri produttori indicano che le perdite possono ridursi fino al 70% in certe frequenze, come quelle a 30-kHz. Quale che sia il valore definitivo raggiunto, nella pratica si traduce nell’aumentare il range delle auto elettriche.
I semiconduttori di nuova generazione sono particolarmente importanti per la caratteristica dei sistemi a 800 volt di permettere una ricarica più rapida e più potenza. Poiché quelli in carburo di silicio cedono molto meno calore, è anche possibile ridurre il dispendioso raffreddamento dell’elettronica di potenza. Questo, oltre al peso, può ridurre anche i costi dei veicoli elettrici.
Bosch fornirà i chip di potenza in carburo di silicio alla clientela globale, sia sotto forma di singoli componenti montati nelle elettroniche di potenza o in soluzioni complete come powertrain quali l’EAxle. Progettato per massimizzare l’efficienza, il complessivo formato da motore elettrico, cambio ed elettronica di potenza permette di ottenere un grado di efficienza fino al 96%. In questo modo è disponibile più energia per il sistema di propulsione aumentandone l’autonomia.
