Prólogo del editor jefe

En 2020, vivimos juntos la pandemia mundial de la epidemia de COVID-19. Casi dos millones de personas fallecieron en silencio. El respeto a la vida, el respeto a la ciencia y la unidad para combatir la epidemia se convirtieron en consensos internacionales. El confinamiento de Wuhan, las devastadoras inundaciones del río Yangtsé, los incendios forestales en Australia, las plagas de langostas en África y el estallido de feroces guerras en la región de Nagorno-Karabaj permanecen vívidamente presentes en nuestra memoria. Se podría decir que 2020 fue un año de grandes desastres; pero esto no es todo. En 2020, también fuimos testigos de la firma del RCEP, el acuerdo regional de cooperación de libre comercio entre 15 países de Asia-Pacífico, lo que impulsó la confianza económica mundial; del primer vuelo espacial tripulado comercial de SpaceX; y del éxito rotundo de la misión Chang'e-5. En un momento en que la economía mundial se vio gravemente afectada, China se convirtió en la única gran economía que logró un crecimiento positivo. Como motor de la recuperación económica, la industria de semiconductores también se atrevió a asumir sus responsabilidades en 2020 y logró grandes resultados: en el año del 5G, el chip 5G de 5 nm se lanzó con fuerza, y Apple lanzó el A14 Bionic utilizando el proceso de 5 nm de TSMC, integrando 11.800 millones de transistores. Desde entonces, Huawei y Samsung también han lanzado la serie Kirin 9000 y Exyon 1080. La exploración e implementación de EDA en la nube, los proveedores de software EDA, las empresas de diseño de circuitos integrados y las fundiciones están cooperando y promoviendo, pueden adaptarse a las necesidades de uso de herramientas EDA, tienen una programación inteligente automática a gran escala de la potencia de cálculo, y los recursos masivos de la nube para proporcionar soporte de potencia de cálculo elástica, mejorar directamente el ciclo de investigación y desarrollo y la tasa de rendimiento de los chips, y reducir los costos de diseño de chips. La tecnología de empaquetado avanzado 3D ha mejorado constantemente, rompiendo el cuello de botella de la Ley de Moore. Presenta ventajas evidentes en términos de integración, rendimiento, consumo energético, etc. Samsung anunció este año que su nueva tecnología de empaquetado X-Cube3D ya está lista para su uso. Por supuesto, como estrella emergente en el campo de los semiconductores, los semiconductores de tercera generación y otros semiconductores compuestos también han atraído mucha atención y ofrecen numerosas ventajas. ¡No se pierda las magníficas imágenes de la empresa belga de semiconductores Cissoid a continuación!

    Entrevista exclusiva de "Compound Semiconductor" con el Dr. Luo Ningsheng, director general de Cissoid China.          

El Dr. Luo Ningsheng es actualmente el Director General para China de la empresa belga Cissoid. Anteriormente, trabajó en la gestión de mercado y negocios de semiconductores para varias empresas europeas y estadounidenses del sector, siendo responsable principalmente de los mercados y negocios de China y la región Asia-Pacífico. Entre estas empresas se incluyen Synaptics (NASDAQ: SYNA) y Silicon Data en Estados Unidos, PicoChip en el Reino Unido e Innovative Micro Technology en Estados Unidos. Se doctoró en el Instituto de Física Técnica de Shanghái, perteneciente a la Academia China de Ciencias, y posteriormente pasó muchos años como investigador visitante en Europa y Estados Unidos, dedicándose a la investigación en física de materiales, incluyendo la investigación en física de superficies sólidas en el Instituto Max Planck de Dinámica de Fluidos en Gotinga, Alemania, y la investigación en nanomateriales semiconductores en el Departamento de Física de la Universidad de Louisville en Estados Unidos.

P 2021 se acerca. De cara al nuevo año, ¿cómo ve el desarrollo y los cambios de la industria de semiconductores compuestos, y cuáles son sus conclusiones y perspectivas sobre 2020? R Siguiendo a Tesla, en 2020, cuando BYD tomó la delantera en el lanzamiento oficial de vehículos eléctricos impulsados ​​por MOSFET de SiC en China, los principales fabricantes de vehículos eléctricos también están prestando más atención a la aplicación de SiC en vehículos eléctricos. En términos de OBC, DC-DC y pilas de carga, generalmente se pueden usar MOSFET de SiC de gama relativamente baja, lo que puede mejorar la eficiencia y reducir el volumen y el peso mientras mantiene los costos relativamente bajos. Para aplicaciones de control de motor para lograr la mayor eficiencia posible y la menor pérdida de calor, se tienden a usar MOSFET de SiC de gama alta (es decir, la resistencia interna es relativamente pequeña). En lo que respecta a los motores de vehículos eléctricos, la industria ha confirmado que la sustitución de los IGBT tradicionales por MOSFET de SiC puede aumentar la eficiencia energética del vehículo entre un 5 % y un 10 %, lo que se traduce en un incremento de la autonomía de entre un 5 % y un 10 % con la misma batería, lo cual resulta muy atractivo. Se prevé que en 2021 la aplicación del SiC en el sector de los vehículos eléctricos experimente un auge, como lo demuestra la escasez generalizada de este año. Además, el GaN también ha experimentado un gran desarrollo recientemente, con aplicaciones principales en cargadores rápidos para dispositivos móviles. Dado que se utiliza en electrónica de consumo, su demanda será muy alta, por lo que los envíos de GaN pronto superarán con creces los de dispositivos SiC.

P: Con el rápido desarrollo de 5G, vehículos de nueva energía, macrodatos, IA, IoT y otros campos técnicos, se presentarán numerosas oportunidades para los semiconductores compuestos. ¿Qué desafíos y oportunidades cree que enfrentan los semiconductores compuestos? Los semiconductores compuestos (SiC y GaN) son nuevos dispositivos semiconductores que buscan reemplazar a los dispositivos de silicio tradicionales. El mayor desafío radica en el control de costos, que implica el control del rendimiento y la escala de producción. Solo mejorando continuamente la tasa de rendimiento y expandiendo la escala de producción se podrá reducir gradualmente el costo, logrando así una amplia aplicación en el mercado. Los desafíos también representan oportunidades, y este es el objetivo principal para que los diversos fabricantes de semiconductores compuestos ganen cuota de mercado.

El carburo de silicio (SiC) es un material con grandes perspectivas de desarrollo, especialmente en aplicaciones de electrónica de potencia y dispositivos de radiofrecuencia de microondas. Actualmente está recibiendo mucha atención. ¿Cómo ve su empresa el desarrollo del mercado del carburo de silicio? ¿Cómo se puede promover la mejora y el desarrollo de los materiales de carburo de silicio?

A medida que los semiconductores de tercera generación, como los dispositivos semiconductores de potencia de SiC, maduren y se popularicen, reemplazarán a los dispositivos de Si en las aplicaciones iniciales. Sin embargo, en etapas posteriores, aprovecharán sus ventajas de rendimiento para crear nuevas aplicaciones, llegando a aplicaciones que antes eran inaccesibles para los dispositivos de Si. Por ejemplo, la resistencia inherente a altas temperaturas del SiC se complementa a la perfección con los dispositivos semiconductores de alta temperatura Cissoid, lo que transformará radicalmente el diseño de sistemas de potencia y brindará a los ingenieros de diseño un amplio margen de expansión. Entre estas aplicaciones típicas futuras de alta temperatura y alta densidad de potencia se incluyen sistemas de propulsión de vehículos eléctricos altamente integrados, aeronaves multieléctricas y totalmente eléctricas, estaciones de carga y baterías portátiles, y diversas aplicaciones de potencia donde la refrigeración líquida presenta limitaciones importantes. 

El sistema de propulsión de los vehículos eléctricos (motor, control electrónico y caja de cambios) ha evolucionado hacia la integración tres en uno, pero actualmente solo se apila estructuralmente, lo que implica una integración débil. Estructuralmente hablando, en el futuro, la integración profunda del sistema de propulsión es inevitable, ya que podría reducir el volumen, el peso y el consumo interno en aproximadamente un tercio, y el costo total entre dos y cuatro veces. Sin embargo, la parte de control electrónico estará estrechamente integrada con el motor, y la integración profunda aumentará considerablemente la densidad de potencia. La alta temperatura es el mayor desafío inevitable.

En las aeronaves tradicionales, los mecanismos que controlan el timón de cola, las alas, el tren de aterrizaje, etc., se basan en la transmisión hidráulica clásica. Al ser un líquido, el aceite hidráulico se ve muy afectado por el entorno y tiene altos costos de mantenimiento. Actualmente, existe una tendencia hacia la electrificación parcial o total, que es el concepto de aeronaves multieléctricas y totalmente eléctricas. El uso de motores eléctricos en lugar de circuitos hidráulicos para lograr el funcionamiento mecánico de la aeronave ofrece alta fiabilidad, gran facilidad de mantenimiento y facilita el diseño de sistemas de respaldo redundantes. Sin embargo, el mayor dilema es que los motores y los controles electrónicos de la aeronave no pueden equiparse con refrigeración por agua, y solo pueden depender de la refrigeración por aire forzado y la refrigeración natural. Por lo tanto, para lograr el diseño de control electrónico de aeronaves multieléctricas o totalmente eléctricas, o incluso de aeronaves eléctricas, el principal problema técnico que debe resolverse primero es la alta temperatura. 

Además, existen numerosos escenarios de aplicación, especialmente con la popularización a gran escala de los vehículos eléctricos. Las estaciones de carga semimóviles y las baterías portátiles cubrirán eficazmente las necesidades de carga fija en ciertos casos. Sin embargo, para este tipo de carga móvil, el sistema de refrigeración por agua no solo añade peso y volumen, sino que, lo que es más importante, consume la energía eléctrica almacenada. Por lo tanto, la refrigeración natural es la mejor opción para el control electrónico, pero es fundamental gestionar adecuadamente la gestión térmica del sistema.

Además de las tres aplicaciones típicas de alta temperatura mencionadas anteriormente, en muchas aplicaciones industriales especiales donde la refrigeración líquida es muy limitada, los sistemas de control electrónico se enfrentarán a los mismos desafíos de alta temperatura. La tecnología de control eléctrico de alta temperatura es clave para lograr estas aplicaciones. Su tecnología de implementación principal es la tecnología de encapsulado de alta temperatura para dispositivos de potencia de SiC y la tecnología de circuitos de control de alta temperatura correspondiente.

Los materiales de SiC y sus estructuras de dispositivos poseen una resistencia inherente a altas temperaturas, pudiendo incluso soportar temperaturas de 400 a 600 °C en condiciones de vacío. En aplicaciones prácticas, para evitar la oxidación causada por la exposición al aire, los dispositivos de SiC deben encapsularse, y si se desea que soporten altas temperaturas, deben utilizar encapsulados resistentes a altas temperaturas. La temperatura de unión de 150 °C es actualmente el estándar más alto en la industria. El nivel de temperatura de unión de 175 °C apenas comienza a explorarse. Existen encapsulados cuasi-estandarizados que pueden utilizarse. Los encapsulados con temperaturas de 200 °C o superiores tienen requisitos muy estrictos en cuanto a materiales y procesos de encapsulado, y deben personalizarse según las características del chip desnudo para garantizar los requisitos de conductividad térmica y disipación de calor.

La aplicación de dispositivos y módulos de potencia de SiC es inseparable de los circuitos controladores y sus chips correspondientes. Sin embargo, la mayoría de los chips de circuitos controladores son dispositivos de silicio convencionales y no soportan altas temperaturas. Si logran funcionar a temperaturas tan elevadas como 175 °C durante 1,000 horas, es algo excepcional. Además, la resistencia a altas temperaturas es solo un aspecto del problema. Lo más grave es la consistencia del rendimiento del dispositivo a altas temperaturas. El rendimiento de los dispositivos de silicio convencionales se deteriora rápidamente por encima de los 70 °C, por lo que no pueden utilizarse a altas temperaturas. Tras más de 20 años de investigación y desarrollo innovadores y pruebas de aplicación, los dispositivos especiales de silicio SOI de Cissoid han alcanzado una alta resistencia a temperaturas de 175 °C y pueden funcionar de forma continua durante 15 años. Su rendimiento presenta una excelente consistencia en todo el rango de temperaturas y constituye un pilar fundamental para las aplicaciones de SiC a altas temperaturas.

P: Por favor, comparta su opinión sobre cómo la industria china de semiconductores compuestos debería aprender de la experiencia internacional y acelerar el desarrollo industrial. R: Aunque China comenzó tarde en el campo de los semiconductores compuestos y está rezagada con respecto a otros países, este campo es muy adecuado para lograr un rápido desarrollo en China. Hay tres razones principales. Primero, los procesos de semiconductores compuestos se encuentran básicamente a nivel micrométrico. Desde los materiales hasta el equipo, existe un conjunto completo de soporte de la cadena industrial nacional, y no se verán severamente restringidos por la necesidad de importar equipos de fabricación de nanoescala fina (especialmente máquinas de fotolitografía). Segundo, la estructura del dispositivo de semiconductores compuestos es relativamente simple y no requiere un soporte EDA de alto nivel muy complejo. También elimina las serias restricciones causadas por la necesidad de importaciones. Tercero, China tiene un vasto y enorme mercado de aplicación. Por lo tanto, se puede concluir que los semiconductores compuestos serán uno de los avances importantes para la mejora de la industria de semiconductores general de China. En los últimos años, el país ha otorgado gran importancia a la industria de fabricación de semiconductores y ha invertido mucho. Se han iniciado, ampliado o construido docenas de fábricas de obleas. En los últimos tiempos, algunos profesionales del sector han propuesto que el procesamiento de sistemas microelectrónicos se considere una disciplina independiente. Esto es muy positivo. Sin embargo, si observamos las fábricas de obleas nacionales, todas cuentan con instalaciones y equipos de última generación, y la inversión es muy elevada. Lo que más se echa en falta es talento en el desarrollo de procesos y un sistema para la formación de personal cualificado en el mantenimiento. El procesamiento mecánico tradicional, como el de tornos, fresadoras y soldadoras, cuenta con un sistema de formación de artesanos de varios niveles, con beneficios y subvenciones para promover y mantener el desarrollo profesional. Un sector tan importante como el del procesamiento de sistemas microelectrónicos debería contar con un sistema de formación de personal más completo.