Nei prossimi due decenni è previsto un aumento medio annuo della domanda di energia pari al 2%, il che significa che nel 2030 si avrà un incremento della domanda del 50%. Attualmente un terzo dell’energia primaria è utilizzato per la generazione di energia. Nel 2004 il consumo medio globale di energia elettrica è stato di circa di 12 miliardi di kWh, e circa il 40% di questo valore è stato utilizzato per gli azionamenti, in molti casi, di motori non controllati.
Il ruolo della politica ambientale
Oggi la maggior parte della domanda di energia primaria viene coperta bruciando combustibili fossili come, olio, gas e carbone, contribuendo in questo modo alla creazione dell’effetto serra. Negli ultimi anni è poi cresciuta la consapevolezza degli effetti catastrofici del riscaldamento del globo terrestre, e ciò ha portato all’introduzione di nuovi obiettivi che mirano alla riduzione delle emissione dei gas serra. Alla base di questa politica climatica c’è sicuramente lo sviluppo e la diffusione delle energie rinnovabili e l’incremento dell’efficienza energetica. Nell’ambito della politica climatica l’Europa è certamente leader nell’utilizzo di nuove tecnologie, e la Germania è il primo esempio nell’uso delle nuove tecnologie per la generazione di energia. In linea con l’obiettivo che mira alla riduzione delle emissioni di CO2 del 14% nel 2020 (questo dato è stato comparato rispetto al livello delle emissioni del 2005), la produzione di energia primaria da fonti rinnovabili dovrà incrementare, sempre entro il 2020 del 18% (riferito al 6% del 2005). Per il consumo di energia elettrica in Germania questo significa che la quota delle energie rinnovabili dovrà raddoppiare entro il 2020, per poi arrivare secondo le proiezioni a superare il 70% nel 2050. Oggi l’energia eolica è la fonte rinnovabile più presente nel mercato energetico. In Germania, l’energia prodotta da centrali eoliche è al primo posto, con una quota di mercato del 45%, seguita dalle biomasse, dall’energia prodotta dalle centrali idriche e dalle centrali fotovoltaiche.
Si riducono i costi della produzione di energia
Parallelamente alle politiche e agli incentivi finanziari atti a promuovere le energie alternative, è importante sottolineare che il costo per la produzione dell’energia elettrica mediante sistemi rinnovabili sta diminuendo. Basta prendere come esempio il campo fotovoltaico, che attualmente è considerato il settore più costoso per la generazione; nel settembre 2008 il costo di un modulo cristallino era all’incirca 3.5 euro/watt, mentre oggi il costo è diminuito del 35%, grazie a diversi fattori tra cui l’aumento della concorrenza, in particolare cinese, l’implementazione tecnologica per la produzione in serie dei moduli e la diminuzione di richieste di silicio grezzo. Questa tendenza dovrebbe portare alla fine del 2010 a un costo pari a 1 euro/watt. Considerati questi dati è probabile che il costo della produzione di energia attraverso architetture solari sarà in un futuro non molto lontano paragonabile a quello delle metodologie tradizionali.
L’importanza dei semiconduttori di potenza
I produttori di semiconduttori di potenza saranno tra quelli che beneficeranno in modo importante della crescita del mercato delle energie rinnovabili. Prima di tutto perché i semiconduttori di potenza sono necessari per la conversione dell’energia, come ad esempio gli inverter per le centrali eoliche. In secondo luogo perché i semiconduttori sono l’elemento principale per la variazione delle velocità; questa caratteristica è indispensabile nel campo eolico, nel solare e nelle biomasse. Tale controllo è usato, per esempio, in ambito solare per orientare i pannelli fotovoltaici in modo da seguire il percorso del sole, o nelle turbine eoliche per ottimizzare il grado di inclinazione delle pale, mentre nel campo delle biomasse è indispensabile per il controllo e la gestione del mix di sostanze da fornire come combustibile. Grazie alla loro tecnologia e alla facilità di utilizzo, i moduli di potenza sono oggi largamente utilizzati come switch elettronici in applicazioni per il recupero dell’energia. Un modulo di potenza è sostanzialmente un componente elettronico composto dalle seguenti parti: chip, substrato di ceramica, case e terminali per la connessione. Questi moduli vengono forniti in differenti versioni, in funzione dell’assemblaggio, delle connessioni tecnologiche e del livello di integrazione richiesto. Un esempio è l’integrazione in un unico assemblato del driver, dei sensori di corrente, del dissipatore e dei moduli di potenza.
Nonostante nel 2008 i semiconduttori di potenza impiegati in applicazioni nel campo dell’energia rinnovabile abbiano raggiunto una quota sul totale limitata al 7,5%, questo mercato vanta oggi una crescita media annua del 25%, di gran lunga superiore a quella registrata in altri settori, e si ipotizza che nel 2012 il settore possa arrivare a generare 380 milioni di dollari. Nelle centrali eoliche e solari l’affidabilità della fornitura energetica è la priorità principale, seguita dall’elevata efficienza e dalla compattezza dei sistemi. Inoltre, incrementando la potenza di un inverter, la connessione in parallelo dei moduli e la distribuzione del calore diventano anch’essi fattori importanti. Analizzando una turbina eolica con potenza d’uscita di 3 MW possiamo affermare che la perdita di circa 45 kW di potenza termica avviene nei soli semiconduttori di potenza; un valore questo che comparato con i consumi quotidiani risulta pari al fabbisogno necessario per il riscaldamento di tre abitazioni private.
Nuove sfide per i costruttori
I semiconduttori di potenza devono quindi affrontare nuove problematiche per rispondere alle richieste di efficienza, durata e compattezza provenienti dal settore delle energie rinnovabili.
• Saldatura - In un modulo di potenza con base plate, la saldatura spesso costituisce il punto debole. Questo è dovuto ai differenti coefficienti di espansione termica dei materiali, alle alte fluttuazioni termiche e agli eccessivi cicli di carico durante il funzionamento. La conseguenza di tutto ciò si traduce in uno sforzo degli strati di saldatura, determinando un aumento della resistenza termica che porta al surriscaldamento del modulo. Questo è un effetto a valanga che porta alla distruzione del modulo. Le saldature a freddo sono un importante punto di affidabilità.
• Base plate - Il base plate per i moduli di grande dimensione e di conseguenza di alta potenza in uscita, può essere ottimizzato, con qualche difficoltà o notevoli costi, in vista di migliori performance sia dal punto di vista termico che meccanico. La saldatura a singola faccia per la connessione di substrati risulta, in caso di effetti bimetallici, causa di non omogenee curvature. Di conseguenza, non si ha un’ottima connessione termica con il dissipatore. Il risultato è il deterioramento del sistema di resistenza termica.
• Layout interno del modulo di potenza - I moduli da 200 A in su, usano chip connessi in parallelo per ottenere portate di corrente elevate. A causa di questa restrizione meccanica presente nei moduli convenzionali non è possibile disegnare un DCB che sia perfettamente simmetrico. Il risultato è un differente share di corrente e switching. In considerazione di ciò, il modulo dovrà essere dimensionato in funzione del chip più debole. Le circuiterie interne con il bondaggio o i connettori possono infine peggiorare la resistenza e l’induttanza interna del modulo.
• Temperatura del chip - L’evoluzione tecnologica ha permesso di migliorare la struttura del chip. Negli ultimi anni questo ha portato alla realizzazione di chip con un’area decisamente inferiore e una densità di corrente superiore. Come esempio, un Igbt da 150A/1200V oggi ha un’area del 35% inferiore rispetto a quelli prodotti pochi anni prima. Allo stesso tempo, la massima temperatura raggiungibile dal chip è incrementata, e oggi disponiamo di Igbt che hanno un Tj=175°C. Questo significa che è possibile produrre moduli che sono più compatti. Un punto debole è rappresentato dalla saldatura e dal bondaggio che, a causa dei più elevati gradienti di temperatura fanno sì che si abbiano problemi in questo senso, e che si riduca l’affidabilità dei moduli.
Tecnologie innovative per la risoluzione dei problemi
I problemi descritti sopra sono tutti fattori interdipendenti. Quindi ha senso cercare di trovare una soluzione integrata piuttosto che cercare di risolvere i problemi singolarmente. I problemi del base plate e delle saldature sono stati risolti da Semikron grazie allo sviluppo di una nuova tecnologia chiamata SkiiP. Base plate, e quindi anche i grandi problemi avuti con le saldature dei substrati, sono stati così completamenti rimossi. Inoltre viene utilizzato un nuovo brevetto di connessione con contatti a pressione. Nel sistema dei contatti a pressione, il substrato è pressato direttamente sul dissipatore grazie a un sistema meccanico che sfrutta la pressione di barre localizzata in alcuni punti, molto vicini, garantendo un’uniformità di pressione sul dissipatore. Come risultato si ha una notevole riduzione dello strato di pasta termica, che può arrivare a un minimo di 20 µm; un valore di gran lunga inferiore rispetto a quello della tecnologia baseplate che è di 100 µm. Questo sistema a pressione può essere adattato a condizioni fissate, che non curano la geometria del modulo. Nei moduli MiniSKiiP, i contatti a pressione si trovano nel case. Nei moduli SkiiP e SKiM, la pressione è applicata mediante degli elementi. I terminali di potenza sono anch’essi connessi al substrato ceramico usando la stessa pressione che realizza il contatto fra il modulo e il dissipatore. I contatti a molla invece vengono realizzati per connettere i gate, cioè contatti ausiliari, ma anche come terminali di potenza; in questo caso è da tenere in considerazione che la massima corrente che può fluire su di essi è di 20 A. I contatti a molla sono particolarmente indicati in quelle applicazioni dove sono presenti vibrazioni elevate. Tra le ultime conquiste tecnologiche va citato l’utilizzo della sinterizzazione del chip, che permette di sostituire l’attuale saldatura. La cosa sorprendente della sinterizzazione è la temperatura di fusione, il cui valore molto più alto rispetto alla saldatura, permette al modulo di avere una vita maggiore. In altre parole i materiali interposti nella sinterizzazione risentono meno degli effetti termici. Utilizzando gli approcci descritti qui, la capacità dei cicli termici si incrementa di cinque volte. Perciò nel caso in cui il chip lavori a temperature più elevate con questa nuova tecnologia non si compromette l’affidabilità. Infine, un ultimo punto da tenere in considerazione è la costruzione interna dello SKiM; con la configurazione dello SKiM si riesce ad ottenere un basso strato di induttanza, inferiore a 20 nH tra i terminali DC. La differenza di posizione dei chip non provoca spegnimenti asimmetrici degli Igbt.
Nuovi materiali per nuovi sviluppi
Nonostante la situazione economica contingente, il settore delle energie rinnovabili avrà sicuramente un ruolo importante che non solo permetterà alle industrie di crescere, ma che avrà importanti ricaduti in termini occupazionali. L’industria dei semiconduttori di potenza sembra aver già raccolto questa nuova sfida, e si sta da tempo impegnando per rispondere alle nuove esigenze sviluppando tecnologie innovative basate su nuovi materiali. Le richieste tecnologiche dei veicoli elettrici e ibridi, come anche lo studio di nuovi materiali semiconduttori come il SiC e il GaN, apriranno a breve la strada a ulteriori nuovi sviluppi.
