پیشگفتار سردبیر

در سال ۲۰۲۰، ما به طور مشترک همه‌گیری جهانی کووید-۱۹ را تجربه کردیم. نزدیک به ۲ میلیون نفر بی‌سروصدا جان خود را از دست دادند. احترام به زندگی، احترام به علم و اتحاد برای مبارزه با این بیماری همه‌گیر به اجماع بین‌المللی تبدیل شده است. قرنطینه ووهان، سیل‌های سهمگین در رودخانه یانگ تسه، آتش‌سوزی‌های بوته‌زار در استرالیا، هجوم ملخ‌ها در آفریقا و وقوع جنگ‌های شدید در منطقه قره‌باغ کوهستانی، همگی در ذهن ما زنده هستند. می‌توان گفت که سال ۲۰۲۰ سال فجایع بزرگی بود. اما این به هیچ وجه همه چیز نیست. در سال ۲۰۲۰، ما همچنین شاهد امضای توافقنامه همکاری تجارت آزاد منطقه‌ای RCEP توسط ۱۵ کشور آسیا و اقیانوسیه بودیم که اعتماد اقتصادی جهان را افزایش داد، اسپیس ایکس به اولین پرواز فضایی سرنشین‌دار تجاری دست یافت و ماموریت چانگ-۵ با موفقیت کامل به پایان رسید. در زمانی که اقتصاد جهان به شدت تحت تأثیر قرار گرفته بود، چین به تنها اقتصاد بزرگی تبدیل شد که به رشد مثبت دست یافت. صنعت نیمه‌هادی به عنوان موتور بهبود اقتصادی، در سال ۲۰۲۰ نیز جرات کرده و مسئولیت‌های خود را بر عهده گرفته و به نتایج بزرگی دست یافته است: در سال ۵G، تراشه ۵ نانومتری ۵G با قدرت عرضه شد و اپل A14 Bionic را با استفاده از فرآیند ۵ نانومتری TSMC و با ادغام ۱۱.۸ میلیارد ترانزیستور عرضه کرد. از آن زمان، هواوی و سامسونگ نیز سری Kirin 9000 و Exyons 1080 را منتشر کرده‌اند. در زمینه اکتشاف و پیاده‌سازی EDA در فضای ابری، فروشندگان نرم‌افزار EDA، شرکت‌های طراحی IC و ریخته‌گری‌ها با یکدیگر همکاری و تبلیغ می‌کنند، می‌توانند با نیازهای استفاده از ابزار EDA سازگار شوند، برنامه‌ریزی هوشمند خودکار در مقیاس بزرگ از قدرت محاسباتی و منابع ابری عظیم برای ارائه پشتیبانی از قدرت محاسباتی انعطاف‌پذیر داشته باشند، چرخه تحقیق و توسعه و نرخ بازده تراشه‌ها را به طور مستقیم بهبود بخشند و هزینه‌های طراحی تراشه را کاهش دهند. فناوری بسته‌بندی پیشرفته سه‌بعدی به طور پیوسته بهبود یافته و از تنگنای قانون مور عبور کرده است. از نظر ادغام، عملکرد، مصرف برق و غیره مزایای آشکاری دارد. سامسونگ امسال اعلام کرد که فناوری بسته‌بندی جدید X-Cube3D آن آماده استفاده است... البته، به عنوان یک ستاره در حال ظهور در زمینه نیمه‌هادی، نیمه‌هادی‌های نسل سوم و سایر نیمه‌هادی‌های مرکب نیز توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند و نکات برجسته بسیاری دارند. لطفاً به نماهای فوق‌العاده شرکت نیمه‌هادی بلژیکی Cissoid در زیر نگاهی بیندازید!

    مصاحبه اختصاصی «کامپاند سمی‌کانداکتور» با دکتر لوئو نینگشنگ، مدیر کل شرکت سیسوید چین          

دکتر لو نینگشنگ در حال حاضر مدیر کل چین شرکت بلژیکی سیسوید است. پیش از این، او در بازار نیمه‌هادی‌ها و مدیریت کسب و کار برای تعدادی از شرکت‌های نیمه‌هادی اروپایی و آمریکایی، که عمدتاً مسئول بازارها و کسب و کارهای چین و آسیا و اقیانوسیه بودند، کار می‌کرد. این شرکت‌ها شامل Synaptics (NASDAQ: SYNA) در ایالات متحده، Silicon Data در ایالات متحده، PicoChip در بریتانیا و Innovative Micro Technology در ایالات متحده هستند. او مدرک دکترا را از موسسه فیزیک فنی شانگهای، آکادمی علوم چین دریافت کرد و متعاقباً سال‌های زیادی را به عنوان محقق مهمان در اروپا و ایالات متحده در تحقیقات فیزیک مواد، از جمله تحقیقات فیزیک سطح جامد در موسسه دینامیک سیالات ماکس پلانک در گوتینگن، آلمان، و تحقیقات نانومواد نیمه‌هادی در گروه فیزیک دانشگاه لوئیزویل در ایالات متحده، گذراند.

Q 2021 در راه است. با نزدیک شدن به سال جدید، توسعه و تغییرات صنعت نیمه‌هادی‌های مرکب را چگونه می‌بینید و نتیجه‌گیری‌ها و بینش‌های شما در مورد سال 2020 چیست؟ الف) پس از تسلا، در سال 2020، همزمان با اینکه BYD رهبری عرضه رسمی خودروهای الکتریکی با MOSFETهای SiC را در چین به دست گرفت، تولیدکنندگان بزرگ خودروهای الکتریکی نیز توجه بیشتری به کاربرد SiC در خودروهای الکتریکی نشان می‌دهند. از نظر OBC، DC-DC و شمع‌های شارژ، می‌توان از MOSFETهای SiC نسبتاً ارزان‌قیمت استفاده کرد که می‌توانند راندمان را بهبود بخشیده و حجم و وزن را کاهش دهند، در حالی که هزینه‌ها را نسبتاً پایین نگه می‌دارند. برای کاربردهای درایو موتور، به منظور دستیابی به بالاترین راندمان ممکن و کمترین اتلاف گرما، معمولاً از MOSFETهای SiC گران‌قیمت (یعنی با مقاومت داخلی نسبتاً کم) استفاده می‌شود. در مورد موتورهای خودروهای الکتریکی، صنعت به طور کلی تأیید کرده است که جایگزینی IGBT های سنتی با MOSFET های SiC می‌تواند راندمان انرژی کل خودرو را 5 تا 10 درصد افزایش دهد، به این معنی که می‌تواند برد پیمایش را در شرایط مشابه باتری 5 تا 10 درصد افزایش دهد، که بسیار جذاب است. سال 2021 سالی خواهد بود که کاربرد SiC در زمینه خودروهای الکتریکی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد، زیرا کمبود گسترده این ماده در این سال یک نشانه است. علاوه بر این، GaN نیز اخیراً بسیار خوب توسعه یافته است و عملکرد اصلی آن در شارژرهای سریع برای دستگاه‌های تلفن همراه است. از آنجایی که GaN شامل کاربردهای لوازم الکترونیکی مصرفی می‌شود، تقاضای آن بسیار زیاد خواهد بود، بنابراین محموله‌های GaN به زودی از دستگاه‌های SiC به مراتب بیشتر خواهند شد.

س: با توسعه سریع 5G، وسایل نقلیه انرژی جدید، کلان داده، هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و سایر زمینه‌های فنی، فرصت‌های زیادی برای نیمه‌هادی‌های مرکب به ارمغان خواهد آورد. به نظر شما نیمه‌هادی‌های مرکب با چه چالش‌ها و فرصت‌هایی روبرو هستند؟ نیمه‌هادی‌های مرکب (SiC و GaN) به عنوان دستگاه‌های نیمه‌هادی جدیدی که می‌خواهند جایگزین دستگاه‌های سنتی Si شوند، بزرگترین چالش، کنترل هزینه است که شامل کنترل بازده تولید و مقیاس تولید می‌شود. تنها با بهبود مداوم نرخ بازده و گسترش مقیاس تولید می‌توان هزینه را به تدریج کاهش داد و در نتیجه کاربرد گسترده‌ای در بازار به دست آورد. چالش‌ها همچنین فرصت‌هایی هستند و این همچنین قله‌های فرماندهی برای تولیدکنندگان مختلف نیمه‌هادی مرکب برای پیروزی و کسب سهم بازار است.

س: کاربید سیلیکون (SiC) ماده‌ای با چشم‌انداز توسعه عالی، به ویژه در کاربرد الکترونیک قدرت و دستگاه‌های فرکانس رادیویی مایکروویو است. در حال حاضر توجه زیادی به آن می‌شود. شرکت شما توسعه بازار کاربید سیلیکون را چگونه می‌بیند؟ چگونه می‌توان ارتقاء و توسعه مواد کاربید سیلیکون را ترویج داد؟ الف.

با بالغ‌تر و محبوب‌تر شدن نیمه‌رساناهای نسل سوم مانند قطعات نیمه‌رسانای قدرت SiC، آن‌ها در مراحل اولیه به سادگی جایگزین قطعات Si در کاربردها خواهند شد. با این حال، در مراحل بعدی، آن‌ها به طور فعال از مزایای عملکرد خود برای ایجاد بسیاری از کاربردهای جدید بهره خواهند برد، یعنی در کاربردهایی که قبلاً برای قطعات Si غیرقابل دسترسی بودند، درگیر خواهند شد. به عنوان مثال، مقاومت ذاتی SiC در دمای بالا، تطابق بسیار خوبی با قطعات نیمه‌رسانای دمای بالای Cissoid دارد که الگوی طراحی سیستم قدرت را تا حد زیادی تغییر می‌دهد و فضای جدید و گسترده‌ای را برای توسعه در اختیار مهندسان طراح قرار می‌دهد. این کاربردهای معمول دما بالا و چگالی توان بالا در آینده شامل پیشرانه‌های خودروهای الکتریکی کاملاً یکپارچه، هواپیماهای چند الکتریکی و تمام الکتریکی و حتی هواپیماهای الکتریکی، ایستگاه‌های شارژ ذخیره‌سازی انرژی سیار و پاوربانک‌ها و کاربردهای مختلف برق است که در آن‌ها خنک‌کننده مایع به شدت محدود است. 

سیستم انتقال قدرت خودروهای الکتریکی (موتور، کنترل الکترونیکی و گیربکس) به سمت سه در یک حرکت کرده است، اما در حال حاضر فقط از نظر ساختاری به هم متصل هستند که ادغام ضعیفی است. از نظر ساختاری، در آینده، ادغام عمیق سیستم انتقال قدرت یک مسیر اجتناب‌ناپذیر است، زیرا این امر ممکن است حجم را حدود یک سوم، وزن را حدود یک سوم و مصرف داخلی را حدود یک سوم کاهش دهد و ممکن است هزینه کل را 2 تا 4 برابر کاهش دهد. با این حال، بخش کنترل الکترونیکی به طور نزدیکی با موتور ادغام خواهد شد و ادغام عمیق چگالی توان را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. دمای بالا بزرگترین چالشی است که نمی‌توان از آن اجتناب کرد.

در هواپیماهای سنتی، اعمال مکانیکی که سکان دم، بال‌ها، ارابه فرود و غیره را کنترل می‌کنند، به انتقال قدرت هیدرولیکی کلاسیک متکی هستند. روغن هیدرولیک به عنوان یک مایع، به شدت تحت تأثیر محیط قرار می‌گیرد و هزینه‌های نگهداری بالایی دارد. در حال حاضر، روندی به سمت الکتریکی‌سازی جزئی یا کامل وجود دارد که مفهوم هواپیماهای چند الکتریکی و تمام الکتریکی است. استفاده از موتورهای الکتریکی به جای مدارهای روغن هیدرولیک در هواپیما برای دستیابی به عملکرد مکانیکی، قابلیت اطمینان بالا، قابلیت نگهداری قوی و تسهیل طراحی پشتیبان اضافی را دارد. با این حال، بزرگترین معضل این است که موتورها و کنترل‌های الکترونیکی در هواپیما مجاز به مجهز شدن به خنک‌کننده آب نیستند و فقط می‌توانند به خنک‌کننده هوای اجباری و خنک‌کننده طبیعی متکی باشند. بنابراین، برای تحقق طراحی کنترل الکترونیکی هواپیماهای چند الکتریکی یا تمام الکتریکی یا حتی هواپیماهای الکتریکی، مشکل فنی اصلی که ابتدا باید حل شود، دمای بالا است. 

علاوه بر این، سناریوهای کاربردی زیادی وجود دارد، به خصوص با محبوبیت گسترده وسایل نقلیه الکتریکی، ایستگاه‌های شارژ ذخیره انرژی نیمه متحرک و پاوربانک‌های کاملاً متحرک به طور موثری شکاف‌های موجود در شارژ ثابت را در سناریوهای خاص پر می‌کنند. با این حال، برای این نوع کاربرد شارژ موبایل، مکانیسم خنک‌کننده آب نه تنها وزن و حجم اضافی را به همراه خواهد داشت، بلکه مهمتر از آن، انرژی الکتریکی ذخیره شده‌ای را که حمل می‌کند، مصرف می‌کند. بنابراین، خنک‌سازی طبیعی بهترین راه برای کنترل الکترونیکی خواهد بود، اما مشکل مدیریت حرارتی سیستم کنترل الکترونیکی باید به درستی برطرف شود.

علاوه بر سه کاربرد معمول دما بالای فوق، در بسیاری از کاربردهای صنعتی خاص که خنک‌سازی با مایع به شدت محدود است، سیستم‌های کنترل الکترونیکی با همان چالش‌های دما بالا روبرو خواهند شد. فناوری کنترل الکتریکی دما بالا کلید تحقق کاربردهای دما بالای فوق است. فناوری اصلی پیاده‌سازی آن، فناوری بسته‌بندی دما بالای دستگاه‌های قدرت SiC و فناوری مدار درایو دما بالای منطبق با آن است.

مواد SiC و ساختارهای دستگاهی آنها ذاتاً مقاومت دمایی بالایی دارند و حتی می‌توانند در شرایط خلاء، دماهای ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند. در کاربردهای عملی، برای جلوگیری از اکسیداسیون ناشی از قرار گرفتن در معرض هوا، دستگاه‌های SiC باید بسته‌بندی شوند و اگر می‌خواهند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند، باید از بسته‌های مقاوم در برابر دماهای بالا استفاده کنند. دمای اتصال ۱۵۰ درجه سانتیگراد در حال حاضر بالاترین استاندارد در صنعت است. سطح دمای اتصال ۱۷۵ درجه سانتیگراد به تازگی آشکار شده است. بسته‌های شبه استانداردی وجود دارد که می‌توان از آنها استفاده کرد. بسته‌هایی با دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد یا بالاتر، الزامات بسیار سختگیرانه‌ای در مورد مواد و فرآیندهای بسته‌بندی دارند و باید مطابق با ویژگی‌های تراشه خالی سفارشی‌سازی شوند تا از رسانایی حرارتی و الزامات عملکرد اتلاف گرما اطمینان حاصل شود.

کاربرد دستگاه‌ها و ماژول‌های قدرت SiC از مدارهای درایور و تراشه‌های مربوطه آنها جدایی‌ناپذیر است. با این حال، اکثر تراشه‌های مدار درایور، دستگاه‌های سیلیکونی معمولی هستند و نمی‌توانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند. اگر آنها بتوانند در دماهای بالا مانند 175 درجه سانتیگراد به مدت 1,000 ساعت کار کنند، در حال حاضر نادر است. علاوه بر این، مقاومت در برابر دمای بالا تنها یکی از جنبه‌های مشکل است. آنچه جدی‌تر است، ثبات عملکرد دستگاه در دماهای بالا است. عملکرد دستگاه‌های سیلیکونی معمولی خیلی سریع در دمای بالای 70 درجه سانتیگراد ضعیف می‌شود، بنابراین نمی‌توان از آنها در دماهای بالا استفاده کرد. پس از بیش از 20 سال تحقیق و توسعه نوآورانه و آزمایش کاربرد، دستگاه‌های سیلیکونی ویژه SOI شرکت Cissoid به مقاومت در برابر دمای بالای 175 درجه سانتیگراد رسیده‌اند و می‌توانند به مدت 15 سال به طور مداوم کار کنند. این عملکرد در کل محدوده دما از ثبات عالی برخوردار است و ستونی است که از کاربردهای SiC در دمای بالا پشتیبانی می‌کند.

س: لطفاً نظرات خود را در مورد چگونگی یادگیری صنعت نیمه‌هادی‌های مرکب چین از تجربیات بین‌المللی و تسریع توسعه صنعتی به اشتراک بگذارید. الف) اگرچه چین در زمینه نیمه‌هادی‌های مرکب دیر شروع به کار کرد و از کشورهای خارجی عقب مانده است، اما این حوزه برای دستیابی به توسعه سریع در چین بسیار مناسب است. سه دلیل اصلی وجود دارد. اول، فرآیندهای نیمه‌هادی‌های مرکب اساساً در سطح میکرون هستند. از مواد گرفته تا تجهیزات، مجموعه‌ای کامل از پشتیبانی زنجیره صنعتی داخلی وجود دارد و نیاز به واردات تجهیزات تولید نانومقیاس دقیق (به ویژه دستگاه‌های فوتولیتوگرافی) آنها را به شدت محدود نخواهد کرد. دوم، ساختار دستگاه نیمه‌هادی‌های مرکب نسبتاً ساده است و نیازی به پشتیبانی EDA سطح بالای بسیار پیچیده ندارد. همچنین محدودیت‌های جدی ناشی از نیاز به واردات را از بین می‌برد. سوم، چین بازار کاربرد وسیع و عظیمی دارد. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که نیمه‌هادی‌های مرکب یکی از پیشرفت‌های مهم برای بهبود صنعت کلی نیمه‌هادی چین خواهد بود. در سال‌های اخیر، این کشور اهمیت زیادی به صنعت تولید نیمه‌هادی داده و سرمایه‌گذاری زیادی کرده است. ده‌ها کارخانه تولید ویفر راه‌اندازی، گسترش یا ساخته شده‌اند. به خصوص اخیراً، برخی از افراد در این صنعت خواستار آن شده‌اند که پردازش سیستم‌های میکروالکترونیکی به عنوان یک رشته جداگانه در نظر گرفته شود. این یک پدیده عالی است. با این حال، با نگاهی به کارخانه‌های تولید ویفر داخلی، همه آنها کارخانه‌ها و تجهیزات جدید دارند و سرمایه‌گذاری بسیار زیادی انجام شده است. آنچه که بیش از همه کمبود دارد، استعداد در زمینه توسعه فرآیند و سیستمی برای انباشت استعداد در فرآیند نگهداری است. پردازش مکانیکی سنتی، مانند تراشکاران، فرزکاران و جوشکاران، دارای یک سیستم چند سطحی برای صنعتگران است که با مزایا و یارانه‌ها برای ترویج و حفظ توسعه این حرفه مرتبط است. چنین صنعت مهمی در پردازش سیستم‌های میکروالکترونیکی باید یک سیستم آموزش استعداد جامع‌تر داشته باشد.