El papel de la SOI en los sistemas de automoción

Introducción

En los últimos años, la tecnología del automóvil ha evolucionado de forma espectacular, sobre todo con el auge de los vehículos eléctricos (VE), la conducción autónoma y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS). A medida que los vehículos se vuelven cada vez más sofisticados, crece la demanda de soluciones de semiconductores capaces de gestionar tareas informáticas complejas y de alto rendimiento, manteniendo al mismo tiempo la eficiencia energética y la fiabilidad.

Una de las innovaciones más importantes para responder a esta necesidad es la tecnología de silicio sobre aislante (SOI). La tecnología SOI ha demostrado ser fundamental para mejorar el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos semiconductores, sobre todo en aplicaciones de automoción, donde la seguridad, la eficiencia y la durabilidad son primordiales.

Qué es la tecnología SOI

La tecnología SOI es una técnica de fabricación de semiconductores que coloca una fina capa de silicio sobre un sustrato aislante, normalmente dióxido de silicio (SiO2). Esta estructura mejora el rendimiento eléctrico de los transistores al reducir la capacitancia parásita, lo que a su vez aumenta la velocidad, reduce el consumo de energía y mejora la eficiencia térmica. Los dispositivos basados en SOI se utilizan habitualmente en diversos campos, como la electrónica de consumo, las telecomunicaciones y, ahora cada vez más, los sistemas de automoción.

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Por qué la SOI es importante para los sistemas de automoción

Los vehículos modernos están repletos de sensores, controladores y sistemas de comunicación que exigen una gran potencia de cálculo. Estos sistemas deben funcionar de forma fiable en condiciones adversas, soportando temperaturas extremas, vibraciones e interferencias electromagnéticas. La tecnología SOI ofrece varias ventajas clave que la hacen ideal para aplicaciones de automoción:

1. 1. Bajo consumo

Una de las principales ventajas de la tecnología SOI es su capacidad para funcionar a bajos niveles de potencia. La eficiencia energética es crucial en los sistemas de automoción, especialmente para los vehículos eléctricos (EV) y los vehículos eléctricos híbridos (HEV), donde la conservación de la vida de la batería es una prioridad. Los dispositivos SOI reducen la corriente de fuga, lo que ayuda a minimizar la pérdida de energía y mejora la eficiencia global. Según un estudio de GlobalFoundries, los chips basados en SOI consumen hasta un 30% menos de energía que los chips convencionales de silicio a granel, lo que los hace ideales para aplicaciones sensibles a la energía como los sistemas ADAS y de infoentretenimiento.

2. Rendimiento térmico mejorado

Los entornos de automoción pueden ser extremos, con componentes expuestos a menudo a altas temperaturas. La capa aislante de las estructuras SOI reduce la transferencia de calor entre el sustrato de silicio y otros componentes, lo que se traduce en una mejor gestión térmica.

STMicroelectronics ha demostrado que los dispositivos SOI pueden funcionar a temperaturas de hasta 200 °C, lo que los hace especialmente adecuados para las unidades de control de la cadena cinemática del automóvil y los sistemas de gestión del motor. Este mejor rendimiento térmico aumenta la vida útil y la fiabilidad de los chips basados en SOI, garantizando un rendimiento constante a lo largo del tiempo.

3. Mayor rendimiento para ADAS y conducción autónoma

Los sistemas ADAS y de conducción autónoma dependen del rápido procesamiento de grandes cantidades de datos procedentes de diversos sensores, cámaras y radares. Estos sistemas exigen un procesamiento de alta velocidad y un análisis de datos en tiempo real para realizar tareas como la asistencia de mantenimiento de carril, el frenado automático de emergencia y el control de crucero adaptativo.

Según un estudio reciente de Leti, un instituto de investigación francés, la tecnología SOI proporciona un 30% más de velocidad de procesamiento para los sistemas ADAS que los dispositivos de silicio tradicionales. Los chips basados en SOI no sólo son más rápidos, sino también más eficientes energéticamente, lo que los hace ideales para su integración en módulos ADAS.

4. Integridad de la señal e inmunidad al ruido superiores

Los entornos de automoción suelen ser ruidosos en términos de interferencias electromagnéticas (EMI) debido al funcionamiento simultáneo de varios sistemas electrónicos. La tecnología SOI proporciona inherentemente una integridad de señal superior y reduce la susceptibilidad al ruido. La capa aislante de los sustratos SOI ayuda a proteger los transistores de las interferencias, mejorando la robustez de los sistemas electrónicos de automoción.

SOI en aplicaciones clave de automoción

A medida que el sector de la automoción adopta tecnologías de nueva generación, la SOI está encontrando aplicaciones en varios sistemas clave.

1. ADAS (sistemas avanzados de asistencia al conductor)

Las funciones ADAS, como el control de crucero adaptativo, la advertencia de abandono de carril, la detección de ángulo muerto y el frenado automático de emergencia, dependen del procesamiento de alta velocidad y bajo consumo de los datos de los sensores. La tecnología SOI se utiliza en los procesadores y unidades de control que soportan las funciones ADAS, proporcionando la potencia de cálculo necesaria para interpretar los datos de los sensores en tiempo real.

[1]

En 2020, se presentó la familia de microcontroladores S32 para ADAS, que utiliza la tecnología SOI para lograr una reducción del 50% en el consumo de energía, manteniendo al mismo tiempo una alta capacidad de procesamiento. Esta innovación permite a los fabricantes de automóviles integrar funciones ADAS más avanzadas sin comprometer la eficiencia energética.

2. Tren de potencia y gestión de baterías

La tecnología SOI se utiliza cada vez más en las unidades de control de la cadena cinemática, responsables de optimizar el rendimiento del motor, reducir las emisiones y mejorar la eficiencia del combustible. En los vehículos eléctricos (VE), los chips basados en SOI también pueden encontrarse en los sistemas de gestión de baterías (BMS), que supervisan y controlan la carga y descarga de las baterías.

Por ejemplo, se ha demostrado que uno de los mejores sistemas de gestión de baterías basados en SOI mejora la vida útil de las baterías en un 15% gracias a su funcionamiento energéticamente eficiente y a una mejor gestión térmica. Estos sistemas deben funcionar con eficiencia para prolongar la vida útil de las baterías y optimizar el uso de la energía, áreas en las que brillan las capacidades de bajo consumo de SOI.

3. Sistemas de infoentretenimiento

Los modernos sistemas de infoentretenimiento ofrecen funciones como navegación GPS, reproducción multimedia y comunicación inalámbrica, todas las cuales exigen una elevada potencia de procesamiento manteniendo la eficiencia energética. La tecnología SOI permite desarrollar procesadores capaces de gestionar las complejas tareas que requieren estos sistemas sin generar excesivo calor ni consumir demasiada energía.

4. Comunicación vehículo a todo (V2X)

La comunicación V2X permite a los vehículos intercambiar información con otros vehículos, infraestructuras y peatones. Esta comunicación es fundamental para el futuro de los vehículos conectados y autónomos, ya que ayuda a prevenir accidentes y garantiza un tráfico más fluido. La tecnología SOI proporciona el rendimiento y la fiabilidad necesarios para los procesadores que gestionan la comunicación V2X, ofreciendo baja latencia y alto caudal de datos.

Impacto de la SOI en la seguridad y fiabilidad del automóvil

La seguridad y la fiabilidad son preocupaciones críticas en la industria del automóvil, y la tecnología SOI desempeña un papel fundamental a la hora de abordar estos retos. El mejor rendimiento térmico y el bajo consumo de energía de los dispositivos SOI reducen el riesgo de fallos por sobrecalentamiento o consumo excesivo de energía. Además, la inmunidad al ruido y la integridad de la señal mejoradas de los chips basados en SOI garantizan que los sistemas de automoción puedan funcionar con fiabilidad incluso en presencia de fuertes interferencias electromagnéticas.

En aplicaciones críticas para la seguridad como ADAS, la fiabilidad es primordial. Según un estudio, los sensores basados en SOI en sistemas ADAS reducen los fallos del sistema en un 25%, lo que los convierte en la opción preferida de los fabricantes de automóviles centrados en la seguridad. Los fallos o averías en estos sistemas pueden provocar accidentes, por lo que es esencial utilizar tecnologías de semiconductores que ofrezcan un rendimiento y una estabilidad superiores, como la SOI.

El futuro de la SOI en los sistemas de automoción

A medida que la industria de la automoción siga evolucionando hacia vehículos totalmente autónomos y vehículos eléctricos más avanzados, la demanda de soluciones de semiconductores de alto rendimiento y eficiencia energética no hará sino crecer. La tecnología SOI, con sus ventajas únicas en eficiencia energética, gestión térmica e integridad de la señal, está bien posicionada para satisfacer estas necesidades. Es probable que sus aplicaciones se amplíen aún más, dando soporte no sólo a ADAS, sino también al infoentretenimiento avanzado, la comunicación V2X y otras tecnologías emergentes del automóvil.

Conclusión

En una palabra, la tecnología de silicio sobre aislante (SOI) está cambiando las reglas del juego en el sector de la automoción, sobre todo en sistemas que requieren altas prestaciones, bajo consumo y fiabilidad en condiciones adversas. A medida que los vehículos se vuelvan más inteligentes y automatizados, la SOI seguirá desempeñando un papel clave en el impulso de la innovación y la garantía de seguridad y eficiencia de los sistemas de automoción modernos. Para más información sobre SOI, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referencias:

[1] Chipengo, Ushemadzoro. (2018). Full Physics Simulation Study of Guardrail Radar-Returns for 77 GHz Automotive Radar Systems. Acceso IEEE. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.