Il ruolo dei condensatori MLCC nell'evoluzione del settore automotive ha assunto un ruolo predominante. Analisi del problema.
Il settore automotive sta attraversando un periodo di trasformazione epocale. Oltre al passaggio dalle tradizionali vetture con motore a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine) ai veicoli elettrici (EV – Electric Vehicle), le altre tendenze emergenti nel settore automotive sono la connettività avanzata, la digitalizzazione sempre più spinta, l'autonomia e l'aumento dell'intelligenza a livello di sistema. Una rivoluzione di queste proporzioni è resa possibile dal rapido sviluppo delle tecnologie di base e dei componenti di supporto. Per l'industria automobilistica, quello che era tradizionalmente un settore basato sulla meccanica si sta trasformando in un comparto che ruota attorno alla progettazione e ai dispositivi elettronici.
A causa di questo radicale cambiamento, sono mutati anche i componenti chiave del progetto di un veicolo. Elementi in precedenza critici, come ad esempio i turbocompressori, sono ora divenuti obsoleti, sostituiti da nuovi componenti elettronici le caratteristiche dei quali devono essere comprese appieno dal settore automotive per garantirne un'implementazione efficace finalizzata al miglioramento dei progetti. Per poter gestire una pluralità di funzioni, dall'infotainment al controllo dei motori elettrici, gli odierni veicoli elettrici richiedono l'integrazione di molteplici centrali elettroniche (ECU – Electronic Control Unit) distribuite, ciascuna delle quali deve essere supportata da una serie di componenti.
Per gli OEM che operano nel settore automotive, ciò ha avuto un impatto significativo sulle loro modalità di acquisto. Al fine di soddisfare le esigenze della produzione dei moderni veicoli elettrici, le Case automobilistiche richiedono oggi un numero significativamente maggiore di dispositivi elettronici, come i condensatori. Ciò richiede la disponibilità di fornitori capaci di produrre costantemente soluzioni innovative e di elevato livello qualitativo, che possono operare senza problemi in ambienti particolarmente gravosi, tipici del mondo automotive.
I condensatori e il settore automotive
I produttori di condensatori per applicazioni automotive hanno il compito di garantire la qualità e l'affidabilità di componenti che devono funzionare in ambienti particolarmente difficili. Mentre il guasto di un condensatore di un telefono cellulare che si verifica dopo pochi anni può essere considerato poco più di un fastidio, si può trasformare in un grave inconveniente se non addirittura in un pericolo per la sicurezza in un veicolo con una vita operativa prevista di 20 anni.
Di conseguenza, per i produttori di componenti passivi è estremamente importante riuscire a eguagliare le prestazioni funzionali e la densità di immagazzinamento della carica che contraddistinguono i dispositivi utilizzati nei prodotti tecnologici consumer più avanzati, preservando al contempo le stesse dimensioni dei package e garantendo i livelli di qualità e di affidabilità richiesti per l'uso in ambito automotive. Ciò richiede una ricerca costante nel campo dei materiali, lo sviluppo di processi innovativi e la massima uniformità in fase di produzione.
La scelta dei condensatori riveste una notevole importanza anche in relazione al loro impiego su larga scala nel settore automotive. Per dare un'idea, in una moderna vettura alimentata con un motore a combustione interna sono necessari circa 8.000 condensatori ceramici multistrato (MLCC – Multilayer Ceramic Capacitor) che vengono utilizzati in un'ampia gamma di sistemi presenti sul veicolo. Per alcuni dei più recenti veicoli elettrici a batteria, si superano i 10.000 condensatori MLCC e il loro numero è destinato sicuramente ad aumentare a causa della continua evoluzione dei veicoli in termini di intelligenza e funzionalità. Le decisioni prese in merito alla scelta di questi componenti avranno quindi ripercussioni importanti e di ampia portata sulla sicurezza e sulle prestazioni di questi veicoli.
I principali produttori di condensatori devono valutare su base continuativa l'influenza delle tendenze della progettazione automobilistica sulla loro gamma di prodotti. Molti produttori stanno attualmente focalizzando la loro attenzione sull'integrazione, vista come mezzo per ridurre il numero di componenti e migliorare l'affidabilità. Ciò include l'integrazione di più componenti passivi oppure lo sviluppo di circuiti multifunzione avanzati. L'aumento della varietà delle opzioni disponibili è un'altra area di particolare interesse, anche se non esente da problematiche, tra cui la necessità di soddisfare i severi standard di qualità del settore automotive per allinearsi a requisiti in continua evoluzione dell'industria automobilistica. L'adozione di dispositivi a semiconduttore basati sul carburo di silicio (SiC) o sul nitruro di gallio (GaN) nei circuiti di controllo dell'alimentazione richiederà anche il ricorso a nuovi dispositivi passivi in grado di supportare le proprietà distintive di questi materiali semiconduttori.
Problematiche tecniche specifiche
Per quanto riguarda la connettività, l'industria automotive sta pianificando un uso più ampio della tecnologia mobile 5G sia per i servizi di infotainment sia per le comunicazioni V2X (Vehicle-to-anything). La tecnologia V2X consente ai veicoli di stabilire connessioni con l'ambiente circostante, che comprende segnali stradali, attraversamenti pedonali e altri veicoli. Queste connessioni sono fondamentali per raccogliere informazioni relative al contesto che permettono di migliorare la sicurezza della guida autonoma e aumentare l'efficienza delle infrastrutture delle smart city.
A causa del ruolo significativo delle connessioni 5G, i produttori di componenti passivi devono necessariamente realizzare versioni adatte all'uso automotive dei componenti avanzati utilizzati negli smartphone, in particolar modo condensatori MLCC ad alta frequenza per l'adattamento (matching) d'antenna. Ma non si tratta dell'unica sezione del veicolo che richiederà soluzioni di questo tipo. I sistemi utilizzati per i veicoli autonomi devono essere contraddistinti da un elevatissimo livello di affidabilità. Qualsiasi dato perso o danneggiato a causa del rumore generato da elementi parassiti dei sistemi di controllo e dei sensori del veicolo può avere conseguenze potenzialmente disastrose.
I condensatori MLCC ad elevata capacità saranno necessari per il pilotaggio dei circuiti di controllo dell'alimentazione, oltre che per le operazioni di disaccoppiamento all'interno degli stessi circuiti di potenza. Nel momento in cui aumenta l'utilizzo della potenza e i produttori di automobili esigono livelli di ridondanza sempre maggiori per i sistemi “safety critical”, come gli alimentatori per i sistemi che supportano l'autonomia dei veicoli, la domanda per questi componenti è destinata ad aumentare. Inoltre, si prevede un aumento della richiesta di MLCC miniaturizzati per uso automotive ad alta capacità con bassa induttanza serie equivalente, al fine di minimizzare il numero di MLCC necessari per i circuiti integrati di controllo della potenza e aumentare l'integrazione a livello di sistema.
Aumento dell'affidabilità nel settore automotive
Vi sono altre due tendenze emergenti che avranno sicuramente un impatto sulle richieste che i fornitori del settore automotive dovranno soddisfare. In primo luogo, a causa del continuo aumento dei costi di possesso e della scarsità di parcheggi negli ambienti urbani, il numero di operatori che offrono servizi di car sharing è destinato ad aumentare. I veicoli condivisi sono caratterizzati da un maggiore tasso di utilizzo, per cui ai fornitori di componenti viene richiesta la conformità a standard di affidabilità più severi. Ciò potrebbe comportare, da parte dei produttori, l'adozione di un approccio più cauto alla progettazione al fine di garantire la necessaria conformità con gli standard di affidabilità.
La seconda tendenza è la diffusione su scala sempre più ampia di veicoli elettrici commerciali. Analogamente a quello che accade per il settore dei veicoli passeggeri condivisi, le autovetture utilizzate per le consegne, i furgoni e i veicoli per il trasporto di merci pesanti saranno caratterizzati una durata di vita più lunga e dovranno resistere a condizioni d'uso severe, che potenzialmente prevedono livelli di tensione e carichi di potenza più elevati. Per soddisfare le esigenze dei clienti, che richiedono alta affidabilità, dimensioni compatte e capacità elevate, i produttori dovranno investire nello sviluppo di nuove tecnologie.
Dal punto di vista di un fornitore di componenti, un altro cambiamento degno di nota è l'utilizzo di una tensione di funzionamento diversa per i sistemi elettrici delle automobili. Mentre per svariati decenni i sistemi a bassa tensione del veicolo operavano a 12 V, ora si tende a privilegiare l'uso di una tensione di 48 V. Analogamente, sul fronte dell'alta tensione, la tendenza è passare da 400 V a 800 V, allo scopo di ottenere una maggiore efficienza. L'utilizzo di tensioni di funzionamento più elevate assicura numerosi vantaggi, tra cui ricarica accelerata (utilizzando caricabatteria compatibili) e riduzione dei costi dei cablaggi necessari per trasferire una potenza equivalente a tensioni inferiori.
Il compito dei produttori è sviluppare componenti in grado di resistere alle alte tensioni e di soddisfare i più recenti standard di sicurezza in vigore nel settore, mantenendo inalterati i livelli di qualità e affidabilità che il mondo automotive si aspetta per il funzionamento a tensioni di valore inferiore.
Soddisfare le richieste del settore automotive
Murata è un'azienda attivamente impegnata a garantire continui miglioramenti, a livello sia di componenti sia di tecnologie di processo, al fine di offrire condensatori di alta qualità per applicazioni automotive. La società, ad esempio, propone già condensatori con un fattore di merito elevato (high Q) per applicazioni di adattamento, oltre a soluzioni per moduli di comunicazione V2X.
Per migliorare i componenti, i produttori di condensatori focalizzano i loro sforzi in due direzioni. La prima prevede lo sviluppo di metodologie per atomizzare i materiali usati per realizzare il materiale dielettrico e gli elettrodi dei condensatori MLCC. La seconda contempla il miglioramento dei livelli di dispersione e di uniformità complessivi al fine di garantire la conformità con gli standard di qualità del comparto automotive. Ciò comporterà lo sviluppo di nuovi materiali e la ricerca di innovativi metodi di stampaggio, laminazione e lavorazione, allo scopo di realizzare componenti caratterizzati da capacità e tolleranze di tensione più elevate. (Figura 1)
Lo scenario è ulteriormente complicato dal fatto che le case automobilistiche ripongono grandi aspettative nei confronti dei produttori di componenti passivi. Tali aspettative comprendono la conformità a standard proprietari, la certificazione delle fabbriche sulla base di standard esterni, la possibilità per i clienti di qualificare le fabbriche in modo indipendente e l'impegno a garantire una durata operativa particolarmente lunga per i prodotti. Per soddisfare tutte queste esigenze è necessario disporre di una notevole capacità produttiva.
Murata ha avviato le sue attività di produzione di MLCC per il settore automotive nel 1983 a Izumo City. Gli impianti della società soddisfano i rigorosi requisiti dello standard IATF16949 per i sistemi di gestione della qualità nell'industria automotive. Oltre a Izumo, Murata ha uno stabilimento produttivo nei dintorni di Manila, nelle Filippine, mentre altri siti sono ubicati presso Fukui Murata Manufacturing, Murata Electronics Singapore, Thailandia e Wuxi (Cina).
La società ha messo in atto tutte le misure necessarie per garantire una fornitura costante ai propri clienti del settore automotive, costruendo fabbriche e generando piani di continuità operativa (BPC – Business Continuity Plan). Con queste premesse, Murata sta attivamente incoraggiando i propri clienti a qualificare gli impianti in modo conforme alle loro esigenze. Ciò contribuirà a proteggere e ottimizzare le loro catene di fornitura (supply chain) globali.
Considerazioni conclusive
L'elettrificazione dei veicoli sta già cambiando il volto dell'industria automotive a una velocità impressionante ma, unitamente ad altre iniziative come l'incremento del livello di intelligenza, del grado di digitalizzazione e delle tensioni di sistema, questo effetto è amplificato. Sebbene progresso e innovazione siano elementi imprescindibili, hanno contribuito a generare un certo numero di problematiche non solo per gli operatori, ma anche per i fornitori di questo settore.
Se il mercato dei veicoli elettrici per passeggeri vuole continuare con l'attuale tasso di espansione, è necessaria l'introduzione di soluzioni innovative e affidabili da parte di tutti, dai produttori degli assemblaggi di grandi dimensioni ai costruttori di componenti passivi miniaturizzati. I continui progressi, anche per quanto riguarda i componenti più piccoli, contribuiscono ad accrescere l'interesse dei consumatori nei confronti di questi veicoli, oltre a creare nuove opportunità in mercati più impegnativi, come ad esempio quello del “car sharing” e nel variegato mondo dei veicoli elettrici commerciali.
