הקדמה של העורך הראשי

בשנת 2020 חווינו יחד את המגפה העולמית של מגפת הקורונה (COVID-19). כמעט 2 מיליון בני אדם נפטרו בשקט. כיבוד החיים, כיבוד המדע ואיחוד למאבק במגפה הפכו לקונצנזוס בינלאומי. הסגר של ווהאן, השיטפונות העזים בנהר היאנגצה, שריפות היער באוסטרליה, מגפות ארבה באפריקה ופרוץ מלחמות קשות באזור נגורנו-קרבאך - כל אלה נחושים להחריד בזיכרוננו. ניתן לומר ששנת 2020 הייתה שנה של אסונות גדולים; אך זה בהחלט לא הכל. בשנת 2020 היינו עדים גם לחתימה על שיתוף פעולה אזורי בסחר חופשי של RCEP על ידי 15 מדינות באסיה-פסיפיק, מה שהגביר את הביטחון הכלכלי העולמי, SpaceX השיגה את טיסת החלל המאוישת המסחרית הראשונה, ומשימת Chang'e-5 השיגה הצלחה מוחלטת. בתקופה שבה הכלכלה העולמית נפגעה קשות, סין הפכה לכלכלה הגדולה היחידה שהשיגה צמיחה חיובית. כמנוע ההתאוששות הכלכלית, גם תעשיית המוליכים למחצה העזה לקחת על עצמה את אחריותה בשנת 2020 והשיגה תוצאות נהדרות: בשנת ה-5G, השקת שבב ה-5G בתצורת 5nm הושקעה באופן משמעותי, ואפל השיקה את ה-A14 Bionic באמצעות תהליך ה-5nm של TSMC, המשלב 11.8 מיליארד טרנזיסטורים. מאז, Huawei ו-Samsung הוציאו גם את סדרת Kirin 9000 ואת Exyons 1080. חקירה ויישום של EDA בענן, ספקי תוכנה של EDA, חברות תכנון IC ובתי יציקה משתפים פעולה ומקדמים, יכולים להסתגל לצרכים של שימוש בכלי EDA, יש להם תזמון אוטומטי חכם בקנה מידה גדול של כוח מחשוב, ומשאבי ענן עצומים כדי לספק תמיכה בכוח מחשוב אלסטי, לשפר ישירות את מחזור המחקר והפיתוח ואת שיעור התפוקה של שבבים, ולהפחית את עלויות תכנון השבבים. טכנולוגיית האריזה המתקדמת בתלת-ממד השתפרה בהתמדה, ושברה את צוואר הבקבוק של חוק מור. יש לה יתרונות ברורים מבחינת אינטגרציה, ביצועים, צריכת חשמל וכו'. סמסונג הכריזה השנה כי טכנולוגיית האריזה החדשה שלה, X-Cube3D, מוכנה לשימוש... כמובן, ככוכב עולה בתחום המוליכים למחצה, מוליכים למחצה מהדור השלישי ומוליכים למחצה מורכבים אחרים משכו גם הם תשומת לב רבה ויש להם נקודות עיקריות רבות. אנא עיינו בנופים הנפלאים של חברת המוליכים למחצה הבלגית Cissoid למטה!

    ראיון בלעדי ב"מוליכים למחצה מורכבים" עם ד"ר לואו נינגשנג, מנכ"ל Cissoid סין          

ד"ר לואו נינגשנג הוא כיום המנכ"ל של חברת Cissoid הבלגית בסין. בעבר, הוא עבד בשוק וניהול עסקי של מוליכים למחצה עבור מספר חברות מוליכים למחצה אירופאיות ואמריקאיות, אחראי בעיקר על שווקים ועסקיים בסין ובאסיה-פסיפיק. חברות אלה כוללות את Synaptics (NASDAQ: SYNA) בארצות הברית, Silicon Data בארצות הברית, PicoChip בבריטניה ו-Innovative Micro Technology בארצות הברית. הוא קיבל תואר דוקטור ממכון שנגחאי לפיזיקה טכנית, האקדמיה הסינית למדעים, ולאחר מכן בילה שנים רבות כחוקר אורח באירופה ובארצות הברית, עוסק במחקר פיזיקת חומרים, כולל מחקר פיזיקת משטחים מוצקים במכון מקס פלאנק לדינמיקת נוזלים בגטינגן, גרמניה, ומחקר ננו-חומרים של מוליכים למחצה במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת לואיוויל בארצות הברית.

ש: 2021 בפתח. לקראת השנה החדשה, כיצד אתה רואה את ההתפתחות והשינויים בתעשיית המוליכים למחצה המורכבים, ומהן מסקנותיך ותובנותיך לגבי 2020? א. בעקבות טסלה, בשנת 2020, כאשר BYD הוביל את ההשקה הרשמית של כלי רכב חשמליים המונעים על ידי רכיבי MOSFET של SiC בסין, גם יצרני כלי רכב חשמליים גדולים מקדישים תשומת לב רבה יותר ליישום SiC בכלי רכב חשמליים. מבחינת OBC, DC-DC וערימות טעינה, ניתן בדרך כלל להשתמש ב-MOSFET של SiC ברמה נמוכה יחסית, מה שיכול לשפר את היעילות ולהפחית נפח ומשקל תוך שמירה על עלויות נמוכות יחסית. עבור יישומי הנעת מנוע, על מנת לשאוף ליעילות הגבוהה ביותר האפשרית ולאובדן חום נמוך ביותר, נוטים להשתמש ב-MOSFET של SiC ברמה גבוהה (כלומר, ההתנגדות הפנימית קטנה יחסית). מבחינת מנועים לרכבים חשמליים, התעשייה אישרה באופן כללי כי החלפת IGBT מסורתיים ב-SiC MOSFET יכולה להגדיל את יעילות האנרגיה של הרכב הכולל ב-5-10%, מה שאומר שהיא יכולה להגדיל את טווח השיוט ב-5-10% באותם תנאי סוללה, וזה די אטרקטיבי. 2021 תהיה השנה שבה היישום של SiC בתחום הרכבים החשמליים יתחיל להתפוצץ, מכיוון שהמחסור בקנה מידה גדול השנה הוא סימן לכך. בנוסף, גם GaN התפתח היטב לאחרונה, והביצועים העיקריים שלו הם במטענים מהירים למכשירים ניידים. מכיוון שמדובר ביישומי אלקטרוניקה צרכנית, הביקוש אליו יהיה גדול מאוד, כך שמשלוחי GaN יעקפו בקרוב את מכשירי SiC בסדרי גודל.

ש: עם ההתפתחות המהירה של דור 5, כלי רכב חדשים בתחום האנרגיה, ביג דאטה, בינה מלאכותית, האינטרנט של הדברים ותחומים טכניים אחרים, הדבר יביא הזדמנויות רבות לייצור מוליכים למחצה מורכבים. אילו אתגרים והזדמנויות לדעתך ניצבים בפני מוליכים למחצה מורכבים? מוליכים למחצה מורכבים (SiC ו-GaN), בהיותם התקני מוליכים למחצה חדשים שרוצים להחליף התקני Si מסורתיים, האתגר הגדול ביותר הוא בקרת עלויות, הכוללת שליטה בתפוקת הייצור ובקנה מידה הייצור. רק על ידי שיפור מתמיד של קצב התפוקה והרחבת קנה המידה של הייצור ניתן להפחית בהדרגה את העלות, ובכך לזכות ביישומים רחבים בשוק. אתגרים הם גם הזדמנויות, וזו גם הנקודה המכרעת עבור יצרני מוליכים למחצה מורכבים שונים לזכות ולהשיג נתח שוק.

סיליקון קרביד (SiC) הוא חומר בעל סיכויי פיתוח גדולים, במיוחד ביישומי אלקטרוניקה להספק ומכשירי תדר רדיו מיקרוגל. הוא זוכה כיום לתשומת לב רבה. כיצד החברה שלך רואה את התפתחות השוק של סיליקון קרביד? כיצד ניתן לקדם את השדרוג והפיתוח של חומרי סיליקון קרביד?

ככל שדור שלישי של מוליכים למחצה, כגון התקני מוליכים למחצה להספק SiC, יהפכו בוגרים ופופולריים יותר, הם פשוט יחליפו את התקני ה-Si ביישומים בשלב מוקדם. עם זאת, בשלב מאוחר יותר, הם ינצלו באופן פעיל את יתרונות הביצועים שלהם כדי ליצור יישומים חדשים רבים, כלומר, הם ייהיו מעורבים ביישומים שבעבר לא היו נגישים להתקני Si. לדוגמה, העמידות הטבועה בטמפרטורה גבוהה של SiC מתאימה היטב להתקני מוליכים למחצה לטמפרטורה גבוהה מסוג Cissoid, אשר ישנו במידה רבה את דפוס תכנון מערכות החשמל ויספקו למהנדסי התכנון מרחב התרחבות חדש ורחב. יישומים אופייניים אלה, העתידיים בטמפרטורה גבוהה ובצפיפות הספק גבוהה, כוללים מערכת הנעה משולבת עמוקה לרכב חשמלי, מטוסים רב-חשמליים וחשמליים לחלוטין ואפילו מטוסים חשמליים, תחנות טעינה ניידות לאגירת אנרגיה ובנקי כוח, ויישומי כוח שונים בהם קירור נוזלים מוגבל מאוד. 

מערכת ההנעה של כלי רכב חשמליים (מנוע, בקרה אלקטרונית ותיבת הילוכים) נעה לכיוון של שלושה באחד, אך כיום היא מורכבת רק מבחינה מבנית, וזו אינטגרציה חלשה. מבחינה מבנית, בעתיד, אינטגרציה עמוקה של מערכת ההנעה היא נתיב בלתי נמנע, מכיוון שהדבר עשוי להפחית את הנפח בכשליש, את המשקל בכשליש ואת הצריכה הפנימית בכשליש, ועשוי להפחית את העלות הכוללת פי 2 עד 4. עם זאת, חלק הבקרה האלקטרונית יהיה משולב באופן הדוק עם המנוע, ואינטגרציה עמוקה תגדיל מאוד את צפיפות ההספק. טמפרטורה גבוהה היא האתגר הגדול ביותר שלא ניתן להימנע ממנו.

במטוסים מסורתיים, הפעולות המכניות השולטות בהגה הזנב, הכנפיים, כיוון הנחיתה וכו' מסתמכות על תיבת הילוכים הידראולית קלאסית. כנוזל, שמן הידראולי מושפע מאוד מהסביבה ויש לו עלויות תחזוקה גבוהות. כיום, ישנה מגמה של חשמול חלקי או מלא, שהוא מושג המטוסים הרב-חשמליים והחשמליים לחלוטין. שימוש במנועים חשמליים במקום במעגלי שמן הידראולי במטוס כדי להשיג פעולה מכנית הוא בעל אמינות גבוהה, יכולת תחזוקה חזקה ומקל על תכנון גיבוי יתיר. עם זאת, הדילמה הגדולה ביותר היא שהמנועים והבקרות האלקטרוניות במטוס אינם מורשים להיות מצוידים בקירור מים, ויכולים להסתמך רק על קירור אוויר מאולץ וקירור טבעי. לכן, כדי לממש את תכנון הבקרה האלקטרונית של מטוסים רב-חשמליים או חשמליים לחלוטין, או אפילו מטוסים חשמליים, הבעיה הטכנית העיקרית שיש לפתור תחילה היא טמפרטורה גבוהה. 

בנוסף, ישנם תרחישי יישום רבים, במיוחד עם הפופולריות הגדולה של כלי רכב חשמליים, תחנות טעינה לאחסון אנרגיה חצי ניידות ובנקי כוח ניידים לחלוטין ימלאו ביעילות את הפערים בטעינה קבועה בתרחישים מסוימים. עם זאת, עבור סוג זה של יישום טעינה נייד, מנגנון קירור המים לא רק יביא את נטל המשקל והנפח הנוספים, אלא חשוב מכך, הוא צורך את האנרגיה החשמלית המאוחסנת שהוא נושא. לכן, קירור טבעי יהיה הדרך הטובה ביותר לבקרה אלקטרונית, אך יש לטפל כראוי בבעיית ניהול התרמי של מערכת הבקרה האלקטרונית.

בנוסף לשלושת היישומים האופייניים לטמפרטורה גבוהה הנ"ל, ביישומים תעשייתיים מיוחדים רבים בהם קירור נוזלים מוגבל מאוד, מערכות בקרה אלקטרוניות יתמודדו עם אותם אתגרים בטמפרטורה גבוהה. טכנולוגיית בקרה חשמלית בטמפרטורה גבוהה היא המפתח למימוש היישומים בטמפרטורה גבוהה הנ"ל. טכנולוגיית היישום העיקרית שלה היא טכנולוגיית אריזה בטמפרטורה גבוהה של התקני כוח SiC וטכנולוגיית מעגלי הנעה בטמפרטורה גבוהה תואמת.

לחומרי SiC ולמבני המכשירים שלהם יש עמידות מובנית לטמפרטורות גבוהות, ויכולים לעמוד אפילו בטמפרטורות של 400 עד 600 מעלות צלזיוס בתנאי ואקום. ביישומים מעשיים, על מנת למנוע חמצון הנגרם מחשיפה לאוויר, יש לארוז התקני SiC, ואם הם רוצים לעמוד בטמפרטורות גבוהות, עליהם להשתמש במארזים עמידים לטמפרטורות גבוהות. טמפרטורת הצומת של 150 מעלות צלזיוס היא כיום הסטנדרט הגבוה ביותר בתעשייה. רמת טמפרטורת הצומת של 175 מעלות צלזיוס רק החלה להתגלות. קיימות מארזים מעין-סטנדרטיים בהם ניתן להשתמש. למארזים עם טמפרטורות של 200 מעלות צלזיוס ומעלה יש דרישות מחמירות מאוד לגבי חומרי אריזה ותהליכים, ויש להתאים אותם אישית בהתאם למאפייני השבב החשוף כדי להבטיח דרישות ביצועי מוליכות תרמית ופיזור חום.

היישום של התקני ומודולים של כוח SiC הוא בלתי נפרד ממעגלי הדרייבר והשבבים המתאימים להם. עם זאת, רוב שבבי מעגלי הדרייבר הם התקני סיליקון רגילים ואינם יכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות. אם הם יכולים לעבוד בטמפרטורות גבוהות כמו 175 מעלות צלזיוס למשך 1,000 שעות, זה כבר נדיר. בנוסף, עמידות לטמפרטורות גבוהות היא רק היבט אחד של הבעיה. מה שחמור יותר הוא העקביות של ביצועי ההתקן בטמפרטורות גבוהות. ביצועיהם של התקני סיליקון רגילים נחלשים מהר מאוד מעל 70 מעלות צלזיוס, כך שלא ניתן להשתמש בהם בטמפרטורות גבוהות. לאחר יותר מ-20 שנות מחקר ופיתוח חדשניים ובדיקות יישומים, התקני הסיליקון המיוחדים SOI של Cissoid הגיעו לעמידות לטמפרטורות גבוהות של 175 מעלות צלזיוס ויכולים לפעול ברציפות במשך 15 שנים. הביצועים בעלי עקביות מצוינת על פני כל טווח הטמפרטורות והם עמוד תווך התומך ביישומים של SiC בטמפרטורות גבוהות.

ש: אנא שתפו את דעותיכם כיצד תעשיית המוליכים למחצה המורכבים של סין צריכה ללמוד מניסיון בינלאומי ולהאיץ את הפיתוח התעשייתי. א. למרות שסין התחילה באיחור בתחום המוליכים למחצה המורכבים ומפגרת אחרי מדינות זרות, תחום זה מתאים מאוד להשגת פיתוח מהיר בסין. ישנן שלוש סיבות עיקריות. ראשית, התהליכים של מוליכים למחצה מורכבים הם בעיקרם ברמת המיקרון. מחומרים ועד ציוד, יש מערך מלא של תמיכה בשרשרת התעשייה המקומית, והם לא יוגבלו קשות על ידי הצורך לייבא ציוד ייצור ננומטרי עדין (במיוחד מכונות פוטוליוגרפיה). שנית, מבנה המכשיר של מוליכים למחצה מורכבים הוא פשוט יחסית ואינו דורש תמיכה מורכבת מאוד ב-EDA ברמה העליונה. זה גם מבטל את המגבלות החמורות הנגרמות מהצורך ביבוא. שלישית, לסין יש שוק יישומים עצום ועצום. לכן, ניתן להסיק כי מוליכים למחצה מורכבים יהיו אחת מפריצות הדרך החשובות לשיפור תעשיית המוליכים למחצה הכוללת של סין. בשנים האחרונות, המדינה ייחסה חשיבות רבה לתעשיית ייצור המוליכים למחצה והשקיעה רבות. עשרות מפעלי ופלים הוקמו, הורחבו או נבנו. לאחרונה, במיוחד אנשים בתעשייה קראו להתייחס לעיבוד מערכות מיקרואלקטרוניות כתחום נפרד. זוהי תופעה מצוינת. עם זאת, במפעלי ופלים מקומיים, לכולם יש מפעלים חדשים וציוד חדש, וההשקעות גדולות מאוד. מה שחסר ביותר הוא כישרון בתחום פיתוח התהליכים, ומערכת לצבירת כישרונות בתהליך התחזוקה. עיבוד מכני מסורתי, כגון מחרטות, כרסומים ורתכים, כולל מערכת רב-מפלסית של אומנים המקושרת להטבות וסובסידיות כדי לקדם ולשמר את פיתוח המקצוע. תעשיית עיבוד מערכות מיקרואלקטרוניות חשובה שכזו צריכה להיות בעלת מערכת הכשרת כישרונות מקיפה יותר.