Halvlederproducenter som Toshiba investerer for tiden storstilet i produkter og processer, der skal give ”Excellence in Power” for elektronikken i det næste århundrede
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 11 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Armin Derpmanns, vicedirektør for Marketing & Operations Division, Toshiba Electronics Europe GmbH
De transformerende teknologier som AI, elbiler og bæredygtige energisystemer skaber et massivt behov for højtydende halvledere. Applikationerne har et fællestræk i form af behovet for en større effekttæthed, bedre effektivitet samt bedre termisk management. Samtidigt arbejder komponenterne i en skala, hvor selv små trinvise forbedringer kan oversættes til milliarder af dollars i energibesparelser.
For halvlederproducenterne repræsenterer disse teknologier nogle betydelige forretningsmuligheder. Fremskridt inden for siliciumbaserede MOSFETs og IGBT’er samt fremkomsten af wide-bandgap materialer som siliciumkarbid (SiC) og nye kapslingsformer vil løbende drive brugen af disse kritiske effektkomponenter på tværs af multiple vækstmarkeder. Sammen med en langsigtet dedikation fra producenterne til bæredygtig fremstilling vil disse drivere af fremskridtet give halvledervirksomheder glimrende muligheder for at kunne opnå fremragende resultater i den næste generation af effektelektronik.
For at kunne få udbytte af væksten har en række halvlederproducenter gjort sig klar til de næste nye og innovative skridt fremad. Toshiba anerkender for eksempel, at AI-infrastrukturen, elbiler og bæredygtige energisystemer vil være de afgørende faktorer i de kommende årtier, og Toshiba gør da også sit yderste for at kunne kapitalisere på de kommende markedsmuligheder. En flerårig Revitalization Plan har ført til løbende investeringer i faciliteter, der flytter innovationen i effektelektronikken fremad og supporterer udviklingen af cutting-edge applikationer.
I Japan har opførelsen af en ny 300mm wafer-fab i Ishikawa-regionen eksempelvis ført til, at Toshibas produktionskapacitet for effekthalvledere – primært MOSFETs og IGBT’er – nu er 2,5 gange højere end i 2021, da investeringsplanen tog form. Samtidigt sikrer konstruktionen af en high-tech back-end produktionsfacilitet i Hyogo-området en højt automatiseret kapsling og montage med test af et bredt udsnit af diskrete halvledere til applikationer som elektriske køretøjer.
Vigtigst er, at den omtalte Revitalization Plan følger en global og alligevel lokal strategi for at imødekomme behovet for effekthalvledere i verdens nøgleregioner. Det inkluderer en styrkelse af tilstedeværelsen i Europa for tættere forbindelser til markedet med leverancer af skræddersyede produkter og løsninger. Derfor opretholder Toshiba også sine faciliteter i lande som Tyskland, Frankrig, Italien, Spanien, Sverige og Storbritannien, så markederne følger individuelle perspektiver på et informeret grundlag.
Udvikling af nye produkter
Men hvordan fører disse investeringer i R&D samt nye produktionsfaciliteter til produktinnovation? Svaret ligger i flere afgørende teknologiske fremskridt på områder som energieffektive SiC MOSFETs, IGBT’er, dioder og gate drivere. Lad os se på nogle af disse gennembrud på et mere detaljeret plan:
Først er der udviklingen af nye 1200V SiC MOSFETs med 30 procent lavere on-modstand gennem et skakternet arrangement af embedded Schottky-Barrier-dioder (SBD), der specifikt er designet til automotive traktionsinvertere. Det nye design øger energieffektiviteten, men opretholder et højt niveau af pålidelighed under tilbageledning af energi – et kritisk problem, der har plaget de traditionelle SiC MOSFETs. Da elmotorer forbruger mere end 40 procent af den globale elektriske energi, vil mere effektive effektkomponenter bidrage betydeligt til energibesparelser og bæredygtighed i elbiler og motorstyringer generelt. For ydermere at kunne optimere SiC-teknologien udvikler Toshiba nu også den næste generation af SiC MOSFET med en trench-teknologi, som forbedrer UIS-robustheden, ligesom SiC super-junction Schottky-barrieredioder undertrykker en stigende resistans ved højere temperaturer. Begge hjælper til lavere on-modstand gennem en samtidigt højere grad af pålidelighed.
IGBT’er og dioder repræsenterer endnu et område for innovation. Toshiba har over 20 års erfaring inden for fremstilling af IGBT’er og dioder med mere end 300 millioner fremstillede komponenter samt en bevist historik for ultralave defektrater. I den forbindelse kombinerer det seneste fremskridt inden for siliciumbaserede reverse-ledende IGBT’er netop IGBT-elementer og en friløbsdiode på samme die, hvad der igen flytter grænserne for innovationsniveauet. Denne metode reducerer nemlig chip-arealer af effekthalvlederelementerne og giver samtidigt en lav termisk modstand på grund af et større varmeafledende areal. Den reverse-ledende IGBT bidrager til design af mindre løsninger som traktionsinvertere. Fremover er der endda potentiale til yderligere af optimere designet. Gennem en undertrykkelse af injicering af overskydende huller fra IGBT-siden under drift af friløbsdioden forbedrer man netop friløbsdiodens karakteristik uden nogen negativ indflydelse på IGBT-karakteristikken.
Endelig leverer Toshiba et stort program af beskyttelses- og isolationskomponenter som optokoblere og højvoltsfotorelæer til blandt andet automotive batteri management-systemer samt nye generationer af digitale isolatorer. Et vigtigt punkt i dén fremtidige optimering, som Toshiba arbejder på for tiden, er en Active Gate Control gate driver-teknologi, der hjælper til at styre SiC MOSFETs og IGBT’er mere effektivt, så man fremover vil kunne løse de trade-offs, der opstår imellem switching-tabene og støjen med en optimering af gate driveren under switching. Selv om de tekniske detaljer fortsat er hemmelige, så viser tests foretaget in-house, at ved at styre driverens amplitude med en optimal timing kan denne Active Gate Control give forbedringer både i forhold til transienter og tab sammenlignet med en mere standard spændingsstyret slew rate-kontrol, hvilket i høj grad booster ydelsen af komponenterne.
Optimering af designs
De nævnte gennembrud for produkterne hjælper alle til en ny æra inden for effektelektronikken. Men de tekniske fremskridt skal dog indgå bredere i en mere samlet strategi for optimering langt ud over de individuelle komponenters ydelse. Robusthed og prisoptimering til specifikke applikationer har også en afgørende betydning. Kapslingen er i den sammenhæng et glimrende eksempel: Toshibas ingeniører har fokus på kritiske områder som avanceret termisk management, øget pålidelighed og kompakte formfaktorer, der alle forbedrer den samlede systemydelse – og samtidigt forenkler fremstillingsprocesserne.
Integration på systemniveau spiller også ind. Komplementerende produktfamilier som mikrocontrollere, gate drivere og isolerende komponenter skal alle designes til at kunne fungere sammen for maksimal effektivitet. Toshiba opnår de mål gennem at levere referencedesigns, simulationsmodeller, support af simulation på systemniveau samt en modelbaseret designtilgang.
Ud over de komponentrelaterede halvlederløsninger findes der et eksempel på, hvordan Toshibas Digital Solutions Corporation nærmer sig simulation på systemniveau med VNET DCP. Denne højniveau simulationssoftware forbinder et stort antal simulationsmodeller og flere udviklingsværktøjer, så man kan opbygge et kollaborativt miljø for modelbaseret udvikling på tværs af multiple designteams og virksomheder. Den cloud-baserede platform gør virksomheder i stand til at teste for eksempel komplekse køretøjssystemer som autonome køretøjer i et sikkert digitalt arbejdsområde. Producenter og leverandører kan sammenkoble computermodeller for at udføre storskalatests uden at afsløre hinandens designhemmeligheder. VNET DCP håndterer automatisk den vanskelige opgave, det er at linke forskellige simulationsværktøjer og modeller sammen, så de individuelle teams kan fjernstyre tests fra én enkelt lokation. Den kollaborative tilgang gør virksomheder i stand til tidligere at identificere problemer, så kvaliteten øges, og man hurtigere kan udvikle bedre produkter.
Bæredygtig drift
Den omfattende tilgang til forbedringer udgør et solidt fundament for de fortsatte fremskridt inden for effektelektronikken. Toshiba er desuden dedikeret til langsigtet R&D for at sætte tempoet op for bredere leading-edge egenskaber, der bringer det karbonneutrale samfund og den cirkulære økonomi nærmere gennem digitaliseringen. Et eksempel er det Regenerative Innovation Center i Düsseldorf, der fungerer som en central forsknings-hub for komponenter som batterier og halvledere samt energi med en særlig fokus på bæredygtige ressourcer. Dertil kommer hydrogen og energistyring samt karbonnegative løsninger, som involverer CO2-fangst, -lagring og -brug. Foruden selvfølgelig de digitale platforme, der handler om at styre energi- og CO2-data.
Bæredygtighed er også en væsentlig motor for udviklingen. Toshiba er et aktivt medlem af det internationale Carbon Disclosure Project og er for tredje år i træk udnævnt til ”Supplier Engagement Leader” af den internationale nonprofit organisation CDP i dennes 2024 Supplier Engagement Assessment. Samtidigt giver Toshiba Groups initiativ, Environmental Future Vision 2050, en roadmap for et mere bæredygtigt samfund.
Kort summeret anerkender Toshiba teknologiens transformative natur med begreber som AI, elkøretøjer og bæredygtige energisystemer med den positive indflydelse, de samlet set har på samfundsudviklingen. Med de rigtige folk, produkter og processer er Toshiba dedikeret til support af innovative planer for fremskridtet gennem visionen ”Excellence in Power” – både nu og i fremtiden.
Billedtekst:
Armin Derpmanns er mangeårig vicedirektør for marketing og drift hos Toshiba Electronics Europe GmbH, og han kortlægger den internationale koncerns planer for udvikling af især effektelektronikken i denne artikel.
