Avant-propos du rédacteur en chef

En 2020, nous avons tous été confrontés à la pandémie mondiale de COVID-19. Près de deux millions de personnes ont perdu la vie. Le respect de la vie, le respect de la science et l'union face à l'épidémie sont devenus des consensus internationaux. Le confinement de Wuhan, les inondations dévastatrices du Yangtsé, les feux de brousse en Australie, les invasions de criquets pèlerins en Afrique et le déclenchement de violents combats au Haut-Karabakh restent gravés dans nos mémoires. On peut dire que 2020 a été une année de grandes catastrophes. Mais ce n'est pas tout. En 2020, nous avons également assisté à la signature de l'accord de libre-échange régional RCEP par 15 pays d'Asie-Pacifique, renforçant la confiance dans l'économie mondiale, au premier vol spatial habité commercial de SpaceX et au succès total de la mission Chang'e-5. Alors que l'économie mondiale était durement touchée, la Chine a été la seule grande économie à enregistrer une croissance positive. Moteur de la reprise économique, l'industrie des semi-conducteurs a assumé pleinement ses responsabilités en 2020 et obtenu d'excellents résultats : l'année de la 5G a été marquée par le lancement réussi de la puce 5G gravée en 5 nm, et Apple a dévoilé la puce A14 Bionic, gravée en 5 nm par TSMC et intégrant 11.8 milliards de transistors. Depuis, Huawei et Samsung ont également lancé les séries Kirin 9000 et Exynos 1080. L'exploration et la mise en œuvre de l'EDA (conception assistée par ordinateur) sur le cloud, grâce à la coopération et à la promotion des éditeurs de logiciels EDA, des sociétés de conception de circuits intégrés et des fonderies, permettent d'adapter les outils EDA aux besoins, de bénéficier d'une planification intelligente et automatisée à grande échelle de la puissance de calcul et d'un support cloud massif offrant une puissance de calcul flexible. Ceci améliore directement le cycle de recherche et développement et le rendement des puces, tout en réduisant les coûts de conception. La technologie d'encapsulation 3D avancée a progressé de manière constante, dépassant les limites de la loi de Moore. Elle présente des avantages indéniables en termes d'intégration, de performances, de consommation d'énergie, etc. Samsung a annoncé cette année que sa nouvelle technologie d'encapsulation X-Cube3D est prête à l'emploi… Bien entendu, en tant qu'étoile montante du secteur des semi-conducteurs, les semi-conducteurs de troisième génération et autres semi-conducteurs composés ont également suscité un vif intérêt et présentent de nombreux atouts. Découvrez ci-dessous les superbes images de la société belge de semi-conducteurs Cissiod !

    Entretien exclusif avec le Dr Luo Ningsheng, directeur général de Cissid China, pour le magazine « Compound Semiconductor ».          

Le Dr Luo Ningsheng est actuellement directeur général de Cissoid en Chine. Auparavant, il a travaillé dans le secteur des semi-conducteurs, notamment au sein de plusieurs entreprises européennes et américaines, où il était principalement responsable des marchés et des activités en Chine et en Asie-Pacifique. Parmi ces entreprises figurent Synaptics (NASDAQ : SYNA) et Silicon Data aux États-Unis, PicoChip au Royaume-Uni et Innovative Micro Technology aux États-Unis. Titulaire d'un doctorat de l'Institut de physique technique de Shanghai (Académie chinoise des sciences), il a ensuite passé plusieurs années en tant que chercheur invité en Europe et aux États-Unis, où il s'est consacré à la recherche en physique des matériaux. Il a notamment mené des recherches en physique des surfaces solides à l'Institut Max Planck de dynamique des fluides de Göttingen, en Allemagne, et des recherches sur les nanomatériaux semi-conducteurs au Département de physique de l'Université de Louisville, aux États-Unis.

Q 2021 approche. À l'aube de cette nouvelle année, comment envisagez-vous l'évolution et les transformations du secteur des semi-conducteurs composés ? Quelles sont vos conclusions et vos observations concernant l'année 2020 ? R Après Tesla, en 2020, BYD a ouvert la voie en lançant officiellement en Chine des véhicules électriques équipés de MOSFET SiC. Les principaux constructeurs de véhicules électriques s'intéressent donc de plus près à l'utilisation du SiC dans ce domaine. Pour les convertisseurs OBC, DC-DC et les bornes de recharge, des MOSFET SiC d'entrée de gamme sont généralement utilisés, ce qui permet d'améliorer le rendement, de réduire l'encombrement et le poids, tout en maintenant des coûts relativement bas. En revanche, pour les applications de motorisation, afin d'obtenir le rendement le plus élevé possible et les pertes thermiques les plus faibles, on privilégie les MOSFET SiC haut de gamme (c'est-à-dire à faible résistance interne). Concernant les moteurs de véhicules électriques, l'industrie a généralement confirmé que le remplacement des IGBT traditionnels par des MOSFET en SiC permet d'accroître l'efficacité énergétique globale du véhicule de 5 à 10 %, ce qui se traduit par une augmentation de l'autonomie de 5 à 10 % à capacité de batterie égale, un avantage considérable. 2021 devrait marquer un tournant dans l'utilisation du SiC pour les véhicules électriques, comme en témoigne la pénurie importante observée cette année. Par ailleurs, le GaN a également connu un développement important ces dernières années, notamment dans les chargeurs rapides pour appareils mobiles. Son utilisation dans l'électronique grand public devrait engendrer une forte demande, et les livraisons de GaN devraient bientôt dépasser celles des dispositifs SiC de plusieurs ordres de grandeur.

Avec le développement rapide de la 5G, des véhicules à énergies nouvelles, du big data, de l'IA, de l'IoT et d'autres domaines technologiques, de nombreuses opportunités s'offriront aux semi-conducteurs composés. Quels sont, selon vous, les défis et les opportunités auxquels ils sont confrontés ? Les semi-conducteurs composés (SiC et GaN), dispositifs semi-conducteurs de nouvelle génération destinés à remplacer les dispositifs en silicium traditionnels, doivent relever le principal défi de la maîtrise des coûts, qui passe par le contrôle du rendement et de l'échelle de production. Seule une amélioration continue du rendement et une augmentation de l'échelle de production permettront de réduire progressivement les coûts et, par conséquent, de conquérir une large part de marché. Ces défis sont autant d'opportunités, et constituent le levier de croissance pour les différents fabricants de semi-conducteurs composés qui cherchent à s'imposer et à gagner des parts de marché.

Q Le carbure de silicium (SiC) est un matériau présentant de grandes perspectives de développement, notamment pour les applications en électronique de puissance et dans les dispositifs radiofréquences micro-ondes. Il suscite actuellement un vif intérêt. Comment votre entreprise envisage-t-elle le développement du marché du carbure de silicium ? Comment favoriser l’amélioration et le développement des matériaux en carbure de silicium ? A

À mesure que les semi-conducteurs de troisième génération, tels que les dispositifs de puissance en SiC, gagnent en maturité et en popularité, ils remplaceront initialement les dispositifs en silicium dans certaines applications. Cependant, par la suite, leurs performances supérieures permettront de créer de nombreuses nouvelles applications, c'est-à-dire des applications auparavant inaccessibles aux dispositifs en silicium. Par exemple, la résistance intrinsèque du SiC aux hautes températures est parfaitement adaptée aux dispositifs semi-conducteurs haute température de type Cissio, ce qui transformera profondément la conception des systèmes d'alimentation et offrira aux ingénieurs de nouvelles perspectives d'innovation. Parmi ces applications futures typiques à haute température et haute densité de puissance, on peut citer les groupes motopropulseurs de véhicules électriques fortement intégrés, les aéronefs multi-électriques et tout électriques, voire les aéronefs électriques, les stations de recharge mobiles pour le stockage d'énergie et les batteries externes, ainsi que diverses applications où le refroidissement liquide est fortement limité. 

La chaîne de traction des véhicules électriques (moteur, commande électronique et boîte de vitesses) tend vers une conception « trois-en-un », mais actuellement, elle se limite à un empilement structurel, ce qui représente une intégration faible. À l'avenir, une intégration plus poussée de la chaîne de traction est inévitable, car elle permettrait de réduire d'environ un tiers le volume, le poids et la consommation interne, et de diviser le coût total par deux à quatre. Cependant, la partie commande électronique sera étroitement intégrée au moteur, et cette intégration poussée augmentera considérablement la densité de puissance. La gestion des hautes températures constitue le principal défi à relever.

Dans les avions traditionnels, les commandes mécaniques du gouvernail de queue, des ailes, du train d'atterrissage, etc., reposent sur une transmission hydraulique classique. L'huile hydraulique, étant un liquide, est très sensible aux variations environnementales et son entretien est coûteux. On observe actuellement une tendance à l'électrification partielle ou totale, donnant naissance aux concepts d'avions multi-électriques et tout électriques. L'utilisation de moteurs électriques à la place des circuits hydrauliques pour assurer le fonctionnement mécanique offre une fiabilité élevée, une maintenance aisée et facilite la conception de systèmes de secours redondants. Cependant, la principale difficulté réside dans l'impossibilité d'utiliser un refroidissement par eau pour les moteurs et les commandes électroniques de l'avion ; le refroidissement doit se faire par air forcé ou par refroidissement naturel. Par conséquent, pour la conception des commandes électroniques des avions multi-électriques, tout électriques, voire des avions entièrement électriques, le principal défi technique à relever est celui des hautes températures. 

De plus, de nombreux scénarios d'application existent, notamment avec la démocratisation des véhicules électriques. Les stations de recharge semi-mobiles et les batteries externes mobiles combleront efficacement les lacunes en matière de recharge fixe dans certains cas. Cependant, pour ce type d'application mobile, le système de refroidissement par eau engendre non seulement un surpoids et un encombrement accrus, mais surtout une consommation d'énergie électrique stockée. Par conséquent, le refroidissement naturel constitue la meilleure solution pour la commande électronique, à condition de maîtriser la gestion thermique du système.

Outre les trois applications haute température typiques mentionnées ci-dessus, de nombreuses applications industrielles spécifiques, où le refroidissement liquide est fortement limité, confrontent les systèmes de commande électroniques aux mêmes défis liés aux hautes températures. La technologie de commande électrique haute température est essentielle à la réalisation de ces applications. Elle repose principalement sur le conditionnement haute température des composants de puissance en carbure de silicium (SiC) et sur la technologie des circuits de commande haute température associés.

Les matériaux SiC et leurs structures de dispositifs présentent une résistance intrinsèque aux hautes températures et peuvent même supporter des températures de 400 à 600 °C sous vide. En pratique, pour éviter l'oxydation due à l'exposition à l'air, les dispositifs SiC doivent être encapsulés. S'ils doivent résister aux hautes températures, ils doivent utiliser des boîtiers haute température. La température de jonction de 150 °C est actuellement la norme la plus élevée du secteur. Le niveau de 175 °C commence à être exploré. Des boîtiers quasi-normalisés existent. Les boîtiers pour des températures de 200 °C et plus imposent des exigences très strictes en matière de matériaux et de procédés d'encapsulation, et doivent être adaptés aux caractéristiques de la puce nue afin de garantir les performances de conductivité thermique et de dissipation de chaleur requises.

L'utilisation des dispositifs et modules de puissance en SiC est indissociable des circuits de commande et de leurs puces associées. Or, la plupart des puces de circuits de commande sont des dispositifs en silicium classiques et ne supportent pas les hautes températures. Il est rare qu'elles puissent fonctionner à 175 °C pendant 1 000 heures. De plus, la résistance aux hautes températures n'est qu'un aspect du problème. Le plus important est la constance des performances des dispositifs à haute température. Les performances des dispositifs en silicium classiques se dégradent très rapidement au-delà de 70 °C, ce qui les rend inutilisables à haute température. Après plus de 20 ans de recherche et développement innovants et d'essais d'application, les dispositifs spéciaux en silicium SOI de Cissiod atteignent une résistance à la température de 175 °C et peuvent fonctionner en continu pendant 15 ans. Leurs performances sont d'une excellente constance sur toute la plage de températures et constituent un atout majeur pour les applications haute température du SiC.

Q : Veuillez partager votre point de vue sur la manière dont l'industrie chinoise des semi-conducteurs composés devrait tirer des enseignements de l'expérience internationale et accélérer son développement industriel. R : Bien que la Chine ait démarré tardivement dans le domaine des semi-conducteurs composés et accuse un certain retard par rapport aux pays étrangers, ce secteur présente un fort potentiel de développement rapide. Trois raisons principales l'expliquent. Premièrement, les procédés de fabrication des semi-conducteurs composés se situent essentiellement à l'échelle micrométrique. Des matériaux aux équipements, la chaîne industrielle nationale est complète et ne constitue pas un frein majeur à la production, notamment en raison de la nécessité d'importer des équipements de fabrication nanométriques de haute précision (en particulier des machines de photolithographie). Deuxièmement, la structure des dispositifs à semi-conducteurs composés est relativement simple et ne requiert pas de logiciels de conception électronique (EDA) de pointe. Cela permet également d'éliminer les contraintes importantes liées aux importations. Troisièmement, la Chine dispose d'un marché d'application vaste et important. On peut donc conclure que les semi-conducteurs composés représenteront une avancée majeure pour le développement de l'ensemble de l'industrie chinoise des semi-conducteurs. Ces dernières années, le pays a accordé une grande importance à la fabrication de semi-conducteurs et y a investi massivement. Des dizaines d'usines de fabrication de plaquettes ont été créées, agrandies ou construites. Plus récemment, certains acteurs du secteur ont plaidé pour que le traitement des systèmes microélectroniques soit considéré comme une discipline à part entière. C'est une excellente initiative. Cependant, si l'on observe les usines de fabrication de plaquettes en Chine, on constate qu'elles disposent toutes de nouvelles installations et de nouveaux équipements, et que les investissements sont considérables. Le principal problème réside dans le manque de personnel qualifié en matière de développement des procédés, ainsi que dans un système de formation et de perfectionnement des compétences pour la maintenance. L'usinage mécanique traditionnel, comme l'usinage au tour, le fraisage et le soudage, bénéficie d'un système de formation professionnelle à plusieurs niveaux, assorti d'avantages et de subventions visant à promouvoir et à pérenniser le développement des métiers. Un secteur aussi important que celui du traitement des systèmes microélectroniques se doit de disposer d'un système de formation des talents plus complet.