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Les technologies de révolutionnaires, telles que l’intelligence artificielle, les véhicules électriques et les systèmes d’énergie renouvelable, créent une demande massive en semi-conducteurs de puissance à hautes performances. Ces applications partagent des exigences techniques communes : besoin de densités de puissance plus élevées, d’un rendement accru et d’une meilleure gestion thermique, à des échelles où même de petites améliorations permettent des économies d’énergie de plusieurs milliards de dollars.

Pour les fournisseurs de semi-conducteurs, ces technologies représentent une opportunité considérable. Les progrès réalisés dans le domaine des MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) et des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) à base de silicium, l’émergence de matériaux à large bande interdite comme le carbure de silicium (SiC) et l’amélioration des technologies d’encapsulation favoriseront l’adoption durable de composants de puissance critiques sur de nombreux marchés à forte croissance. Combinés à un engagement à long terme en faveur d’une fabrication durable, ces facteurs offrent aux fabricants de semi-conducteurs une opportunité unique d’établir les bases de l’excellence dans le domaine de l’électronique de puissance de nouvelle génération.

Investissements dans les installations

Pour capitaliser sur cette croissance du marché, les fournisseurs de semi-conducteurs se préparent à une période passionnante d’innovation. Toshiba, par exemple, reconnaît que l’infrastructure, l’intelligence artificielle, la mobilité électrique et les systèmes d’énergie renouvelable seront les principaux moteurs du progrès électronique au cours des prochaines décennies. C’est pourquoi elle s’emploie activement à tirer parti des opportunités qui se présentent. Un plan de revitalisation pluriannuel a conduit à des investissements soutenus dans des installations qui stimulent l’innovation dans le domaine de l’électronique de puissance et soutiennent le développement d’applications de pointe.

Au Japon, par exemple, l’achèvement d’une nouvelle usine de fabrication de plaquettes de 300 millimètres dans la préfecture d’Ishikawa se traduit par une capacité de production de Toshiba en semi-conducteurs de puissance, principalement des MOSFET et des IGBT, qui s’avère 2,5 fois supérieure à celle de 2021, année de l’élaboration du plan d’investissement. En parallèle, la construction d’une usine de production de pointe dans la préfecture de Hyogo permet l’automatisation de l’assemblage, du conditionnement et des tests d’une large gamme de semi-conducteurs discrets destinés à des applications telles que les véhicules électriques.

Il est important de noter que le Plan de Revitalisation s’inscrit dans une stratégie à la fois mondiale et locale visant à répondre à la demande en semi-conducteurs de puissance dans des régions clés du monde. Cela implique de renforcer la présence en Europe afin d’établir des liens plus étroits avec le marché et de proposer des produits et solutions sur mesure. C’est pourquoi Toshiba dispose d’installations dans des pays tels que l’Allemagne, la France, l’Italie, l’Espagne, la Suède et le Royaume-Uni, lui permettant d’avoir une vision éclairée de chaque marché.

Développement de nouveaux produits

Comment ces investissements en recherche et développement et dans les installations de production se traduisent-ils en innovation produit ? La réponse réside dans plusieurs avancées technologiques majeures dans des domaines tels que les MOSFET SiC à haut rendement énergétique, les IGBT, les diodes et les pilotes de grille.

Examinons de plus près certaines de ces avancées. Tout d’abord, le développement de nouveaux MOSFET en carbure de silicium (SiC) de 1200 V permet de réduire la résistance à l’état passant de 30 % grâce à un agencement en damier des diodes à barrière Schottky (SBD) intégrées, spécialement conçues pour les onduleurs de traction automobile. Ce design novateur améliore l’efficacité énergétique tout en maintenant une fiabilité élevée en conduction inverse, un problème critique qui affectait les MOSFET SiC traditionnels. Alors que les moteurs électriques représentent plus de 40% de la consommation électrique mondiale, la plus grande efficacité de ces dispositifs contribuera considérablement aux économies d’énergie et aux efforts de développement durable dans le secteur des véhicules électriques et des applications de contrôle moteur. Par ailleurs, afin d’optimiser d’avantage la technologie SiC, Toshiba développe un MOSFET SiC de nouvelle génération utilisant la technologie des tranchées pour accroître la robustesse de l’UIS (Unclamped Inductive Switching), ainsi que des diodes à barrière Schottky à super-jonction en SiC qui limitent l’augmentation de la résistance à haute température. Ces deux solutions permettent de réduire la résistance à l’état passant tout en offrant une fiabilité élevée.

Les IGBT et les diodes sont un autre domaine d’innovation. Toshiba possède plus de 20 ans d’expérience dans la production d’IGBT et de diodes, avec un record de plus de 300 millions d’unités commercialisées et des taux de défauts extrêmement faibles. À cette fin, l’invention d’un IGBT à conduction inverse à base de silicium, combinant un IGBT et une diode à roue libre sur une seule puce, repousse encore les limites de l’innovation. Cette approche réduit la surface de la puce pour les semi-conducteurs de puissance tout en offrant une faible résistance thermique grâce à une grande surface de dissipation thermique. L’IGBT à conduction inverse contribue à la miniaturisation de solutions telles que les systèmes d’onduleurs de traction. À l’avenir, il sera encore possible d’optimiser davantage la conception. En supprimant l’injection de trous excédentaires du côté IGBT pendant le fonctionnement de la diode de roue libre, les caractéristiques de celle-ci sont améliorées sans altérer celles de l’IGBT.

Troisièmement, Toshiba propose une gamme de dispositifs de protection et d’isolation, notamment des photocoupleurs et des photorelais haute tension pour les systèmes de gestion de batteries automobiles, ainsi que de nouvelles générations d’isolateurs numériques. Parmi les axes d’optimisation étudiés par Toshiba figure une technologie de commande de grille active. Cette technologie permet de contrôler plus efficacement les MOSFET et les IGBT SiC, en améliorant le compromis entre les pertes de commutation et le bruit grâce à l’optimisation de la commande de grille pendant la commutation. Bien que les détails techniques restent encore confidentiels, des tests internes ont montré qu’en contrôlant la puissance de commande à un timing optimal, ce contrôle de grille actif permet de réduire les surtensions et les pertes par rapport à un contrôle de vitesse de balayage piloté par tension standard, offrant ainsi des gains de performances significatifs.

Optimisation des conceptions

Ce ne sont là que quelques-unes des avancées technologiques qui contribuent à l’avènement d’une nouvelle ère dans le domaine de l’électronique de puissance. Cependant, les avancées technologiques doivent s’inscrire dans une stratégie d’optimisation plus globale, qui va au-delà des performances individuelles des composants pour prendre en compte des facteurs clés tels que la robustesse et la compétitivité des coûts pour des applications spécifiques. L’innovation en matière de packaging en est un parfait exemple : les ingénieurs de Toshiba se concentrent sur des domaines critiques tels que la gestion thermique avancée, la fiabilité accrue et les formats compacts qui améliorent les performances globales du système tout en simplifiant les processus de fabrication.

L’intégration au niveau du système est également importante. Les familles de produits complémentaires, notamment les microcontrôleurs, les commandes de grille et les dispositifs d’isolation, doivent être conçues pour fonctionner ensemble afin d’optimiser leur efficacité. Toshiba y parvient grâce à la fourniture de conceptions de référence, de modèles de simulation, d’un support de simulation au niveau du système et d’une approche de Model-Based Design.

Outre les solutions de semi-conducteurs au niveau des composants, Toshiba Digital Solutions Corporation propose un exemple de la manière dont elle aborde la simulation système avec VNET DCP. Ce logiciel de simulation de haut niveau connecte un grand nombre de modèles de simulation et divers outils de développement, créant ainsi un environnement collaboratif pour le développement basé sur des modèles entre plusieurs équipes et entreprises. Cette plateforme basée sur le cloud permet aux entreprises de tester des systèmes automobiles complexes, tels que la conduite autonome, dans un espace de travail numérique sécurisé. Les fabricants et les fournisseurs peuvent connecter des modèles informatiques pour réaliser des tests à grande échelle sans partager leurs designs secrets. VNET DCP automatise la liaison entre les différents outils et modèles de simulation, permettant aux équipes de piloter les tests à distance depuis un seul site. Cette approche collaborative permet aux entreprises d’identifier les problèmes plus tôt, d’améliorer la qualité et de développer de meilleurs produits plus rapidement.

Opérations durables

Cette approche globale constitue une base solide pour la poursuite des progrès dans le domaine de l’électronique de puissance. Toshiba poursuit également des efforts de recherche et développement sur le long terme afin d’élargir ses technologies de pointe, en vue d’accélérer la transition vers la neutralité carbone et une économie circulaire, soutenues par la numérisation. Par exemple, le Centre d’innovation régénérative de Düsseldorf, en Allemagne, servira de pôle de recherche central pour les dispositifs tels que les batteries et les semi-conducteurs ; l’énergie, avec un accent particulier sur les ressources renouvelables, l’hydrogène et la gestion de l’énergie ; les solutions à bilan carbone négatif, impliquant le captage, le stockage et l’utilisation du CO2 ; et les plateformes numériques visant à exploiter les données sur l’énergie et le CO2.

Le développement durable est également un moteur essentiel. Toshiba est un membre actif du Carbon Disclosure Project et a également été nommé pour la troisième année consécutive « Supplier Engagement Leader » ( Leader de l’engagement des fournisseurs ) par l’organisation internationale à but non lucratif CDP dans son évaluation de l’engagement des fournisseurs 2024. Par ailleurs, l’initiative « Environmental Future Vision 2050 » ( Vision environnementale pour l’avenir ) du groupe Toshiba propose une feuille de route vers une société plus durable.

En résumé, Toshiba reconnaît le caractère révolutionnaire des technologies telles que l’intelligence artificielle, les véhicules électriques et les systèmes d’énergie renouvelable, ainsi que leur impact positif sur la société dans son ensemble. Avec les équipes, les produits et les processus adéquats, Toshiba s’engage à soutenir l’innovation grâce à son « Excellence en matière de Puissance » aujourd’hui comme demain.