Power Diamond Systems (PDS), una startup giapponese nata presso l'Università di Waseda, si sta rapidamente affermando come pioniera nella produzione di semiconduttori di potenza di nuova generazione utilizzando il diamante sintetico. A Semiconductor Japan 2025, l'azienda ha fatto una grande figura, presentando i MOSFET di potenza (transistor a effetto di campo a ossido di metallo-semiconduttore) basati sul diamante, progettati per applicazioni ad alta tensione e alta temperatura. In particolare, PDS ha dimostrato questa tecnologia nel suo sistema di valutazione integrato, convalidando il corretto funzionamento dei dispositivi confezionati, segnando la prima verifica pubblica delle prestazioni dei semiconduttori in diamante confezionati.
Questi MOSFET di potenza al diamante sono meticolosamente progettati per resistere a centinaia di volt, dimostrando una durata e un'efficienza di gran lunga superiori a prodotti comparabili in silicio (Si) e persino in carburo di silicio (SiC). PDS prevede che questi dispositivi saranno utilizzati in settori come i veicoli elettrici (EV), le piattaforme aerospaziali e i satelliti per comunicazioni, dove sussistono notevoli sfide progettuali in termini di stress termico, radiazioni e densità di potenza. Sebbene la tecnologia sia ancora in fase di ricerca e sviluppo, l'azienda prevede di collaborare con potenziali partner industriali per raggiungere la commercializzazione entro il 2030.
Le ambizioni di PDS vanno ben oltre il mercato nazionale. Nel luglio 2025, la startup ha annunciato una partnership di ricerca congiunta con la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) per testare i suoi MOSFET di potenza al diamante in ambienti spaziali reali. Questa collaborazione mira a verificare la durabilità di questi dispositivi in condizioni di radiazioni intense, vuoto e cicli termici comuni nelle operazioni planetarie e satellitari. L'inizio dei test di prestazioni e affidabilità a terra è previsto per l'anno fiscale 2025 (da aprile 2025 a marzo 2026). Questa fase valuterà la stabilità meccanica ed elettronica dei dispositivi prima di inviare i componenti a una piattaforma di test orbitale o a una missione nello spazio profondo.
Il diamante, come substrato semiconduttore, possiede numerosi vantaggi intrinseci. Vanta la più alta conduttività termica conosciuta tra tutti i solidi, un'eccellente resistenza alle radiazioni e un ampio bandgap, che lo rendono un materiale ideale per applicazioni ad alta tensione. Queste proprietà consentono ai dispositivi a base di diamante di funzionare a temperature e tensioni più elevate rispetto al carburo di silicio (SiC) o al nitruro di gallio (GaN), ridefinendo potenzialmente l'elettronica di potenza nelle future applicazioni aerospaziali, della difesa e dei veicoli elettrici ad alte prestazioni.
Ad oggi, i prototipi di PDS hanno raggiunto densità di potenza da record, posizionando l'azienda all'avanguardia nell'innovazione dei semiconduttori. Sebbene la produzione di massa sia ancora lontana diversi anni, PDS è destinata a diventare leader nei semiconduttori di potenza ad altissime prestazioni nel prossimo decennio, grazie ai vantaggi fisici del diamante, all'ingegneria dei dispositivi integrata verticalmente e alle collaborazioni con le istituzioni.
I semiconduttori di potenza a base di diamante, come quelli prodotti da PDS, possono avere un impatto sull'illuminazione a LED, ma questo impatto è principalmente indiretto e a livello di sistema. Il suo impatto maggiore risiede nella gestione termica, nell'efficienza dei driver, nell'affidabilità e in alcune applicazioni ambientali gravose.
Efficienza e miniaturizzazione a livello di sistema
I MOSFET di potenza Diamond possono commutare tensioni elevate con perdite ridotte, migliorando l'efficienza di conversione CA-CC e CC-CC dei driver per apparecchi di illuminazione LED ad alta potenza, come lampioni stradali, illuminazione di stadi e luci da giardino.
Una maggiore efficienza del driver si traduce in una riduzione del calore disperso, consentendo dissipatori di calore più piccoli, design di apparecchi di illuminazione più compatti o lumen più elevati per apparecchio entro un dato budget energetico.
Gestione termica e durata
L'eccellente conduttività termica del diamante lo rende prezioso non solo come semiconduttore attivo, ma anche come materiale di dissipazione del calore nei moduli LED e nelle schede driver.
L'utilizzo di substrati diamantati o circuiti stampati nei LED ad alta potenza ha dimostrato di prolungare notevolmente la durata dei componenti, poiché riduce la temperatura di giunzione, un meccanismo di guasto critico nei sistemi LED ad alta potenza.
Ambienti difficili e illuminazione speciale
L'elettronica diamantata e i potenziali LED diamantati sono adatti ad ambienti estremi quali alte temperature, alte pressioni, radiazioni o sostanze chimiche corrosive (ad esempio, impianti industriali, sotterranei, aerospaziali, energia nucleare).
Per il settore dei LED, questo si traduce in linee di prodotti di nicchia: apparecchi di illuminazione per ambienti difficili, luci di segnalazione di importanza critica e sorgenti luminose dedicate per la misurazione o la sterilizzazione UV per il rapido invecchiamento dei LED o dei driver convenzionali.
Integrazione con nitruro di gallio e LED ad alta potenza
Studi che combinano pellicole di diamante con nitruro di gallio hanno dimostrato che le prestazioni termiche dei LED ad alta potenza possono essere notevolmente migliorate diffondendo ed estraendo più efficacemente il calore dal chip.
Incapsulando dispositivi di potenza al diamante e LED GaN su un substrato di diamante, i produttori possono aumentare ulteriormente la corrente di pilotaggio e la densità di potenza senza sacrificare l'affidabilità, ottenendo così pacchetti ad alta potenza più luminosi e robusti.