Prefazione del caporedattore

Nel 2020 abbiamo vissuto insieme la pandemia globale di COVID-19. Quasi 2 milioni di persone sono morte in silenzio. Il rispetto per la vita, il rispetto per la scienza e l'unione nella lotta contro l'epidemia sono diventati valori condivisi a livello internazionale. Il lockdown di Wuhan, le devastanti inondazioni del fiume Yangtze, gli incendi in Australia, le invasioni di locuste in Africa e lo scoppio di feroci guerre nella regione del Nagorno-Karabakh sono tutti eventi vividi nella nostra memoria. Si può dire che il 2020 sia stato un anno di grandi disastri; ma non è tutto. Nel 2020 abbiamo anche assistito alla firma dell'accordo di libero scambio regionale RCEP da parte di 15 paesi dell'Asia-Pacifico, che ha rafforzato la fiducia nell'economia mondiale, al primo volo spaziale commerciale con equipaggio di SpaceX e al completo successo della missione Chang'e-5. In un momento in cui l'economia mondiale era gravemente colpita, la Cina è diventata l'unica grande economia a registrare una crescita positiva. Come motore della ripresa economica, anche l'industria dei semiconduttori ha osato assumersi le proprie responsabilità nel 2020, ottenendo grandi risultati: nell'anno del 5G, il chip 5G a 5 nm ha riscosso un grande successo e Apple ha lanciato l'A14 Bionic, realizzato con il processo a 5 nm di TSMC e dotato di 11.8 miliardi di transistor. Da allora, anche Huawei e Samsung hanno rilasciato le serie Kirin 9000 ed Exynos 1080. L'esplorazione e l'implementazione dell'EDA sul cloud, la collaborazione tra fornitori di software EDA, aziende di progettazione di circuiti integrati e fonderie, hanno permesso di adattarsi alle esigenze di utilizzo degli strumenti EDA, di disporre di una pianificazione intelligente e automatica su larga scala della potenza di calcolo e di un supporto elastico basato su enormi risorse cloud, migliorando direttamente il ciclo di ricerca e sviluppo e il tasso di rendimento dei chip, e riducendo i costi di progettazione. La tecnologia di packaging avanzato 3D ha compiuto progressi costanti, superando il collo di bottiglia della Legge di Moore. Presenta evidenti vantaggi in termini di integrazione, prestazioni, consumo energetico, ecc. Samsung ha annunciato quest'anno che la sua nuova tecnologia di packaging X-Cube3D è pronta per l'uso... Naturalmente, come stella nascente nel campo dei semiconduttori, anche i semiconduttori di terza generazione e altri semiconduttori composti hanno attirato molta attenzione e vantano numerose caratteristiche di rilievo. Date un'occhiata alle fantastiche immagini dell'azienda belga di semiconduttori Cissoid qui sotto!

    Intervista esclusiva a "Compound Semiconductor" con il Dr. Luo Ningsheng, Direttore Generale di Cissoid China.          

Il Dott. Luo Ningsheng è attualmente Direttore Generale per la Cina della società belga Cissoid. In precedenza, ha lavorato nel settore dei semiconduttori, occupandosi di marketing e gestione aziendale per diverse aziende europee e americane, principalmente per i mercati e le attività in Cina e nella regione Asia-Pacifico. Tra queste aziende figurano Synaptics (NASDAQ: SYNA) negli Stati Uniti, Silicon Data negli Stati Uniti, PicoChip nel Regno Unito e Innovative Micro Technology negli Stati Uniti. Ha conseguito un dottorato di ricerca presso l'Istituto di Fisica Tecnica di Shanghai, Accademia Cinese delle Scienze, e successivamente ha trascorso molti anni come visiting scholar in Europa e negli Stati Uniti, dedicandosi alla ricerca sulla fisica dei materiali, in particolare alla fisica delle superfici solide presso il Max Planck Institute for Fluid Dynamics di Göttingen, in Germania, e alla ricerca sui nanomateriali semiconduttori presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Louisville negli Stati Uniti.

D: Il 2021 è alle porte. Guardando al nuovo anno, come vede lo sviluppo e i cambiamenti del settore dei semiconduttori composti e quali sono le sue conclusioni e intuizioni sul 2020? R: Dopo Tesla, nel 2020, con BYD che ha preso l'iniziativa lanciando ufficialmente in Cina veicoli elettrici con MOSFET in SiC, anche i principali produttori di veicoli elettrici stanno prestando maggiore attenzione all'applicazione del SiC in questo settore. Per quanto riguarda OBC, DC-DC e batterie di ricarica, si possono generalmente utilizzare MOSFET in SiC di fascia bassa, che migliorano l'efficienza e riducono volume e peso, mantenendo i costi relativamente bassi. Per le applicazioni di azionamento dei motori, al fine di ottenere la massima efficienza possibile e la minima dispersione di calore, si tende a utilizzare MOSFET in SiC di fascia alta (ovvero, con una resistenza interna relativamente bassa). Per quanto riguarda i motori dei veicoli elettrici, l'industria ha generalmente confermato che la sostituzione dei tradizionali IGBT con MOSFET al SiC può aumentare l'efficienza energetica complessiva del veicolo del 5-10%, il che significa che può incrementare l'autonomia del 5-10% a parità di pacco batterie, un risultato piuttosto interessante. Il 2021 sarà l'anno in cui l'applicazione del SiC nel settore dei veicoli elettrici inizierà a esplodere, come dimostra la forte carenza registrata quest'anno. Inoltre, anche il GaN ha registrato un notevole sviluppo di recente, trovando applicazione principalmente nei caricabatterie rapidi per dispositivi mobili. Poiché questo settore è coinvolto nell'elettronica di consumo, la sua domanda sarà molto elevata, pertanto le spedizioni di GaN supereranno presto quelle dei dispositivi al SiC di diversi ordini di grandezza.

D: Con il rapido sviluppo del 5G, dei veicoli a energia alternativa, dei big data, dell'IA, dell'IoT e di altri settori tecnologici, si apriranno molte opportunità per i semiconduttori composti. Quali sfide e opportunità ritiene che i semiconduttori composti debbano affrontare? I semiconduttori composti (SiC e GaN), essendo nuovi dispositivi a semiconduttore che mirano a sostituire i tradizionali dispositivi al silicio, devono affrontare la sfida più grande per il controllo dei costi, che implica il controllo della resa produttiva e della scala di produzione. Solo migliorando continuamente il tasso di resa ed espandendo la scala di produzione sarà possibile ridurre gradualmente i costi, ottenendo così un'ampia diffusione sul mercato. Le sfide sono anche opportunità, e questo rappresenta anche un'occasione per i vari produttori di semiconduttori composti di affermarsi e conquistare quote di mercato.

D: Il carburo di silicio (SiC) è un materiale con grandi prospettive di sviluppo, soprattutto nelle applicazioni di elettronica di potenza e dispositivi a radiofrequenza a microonde. Attualmente sta riscuotendo grande interesse. Come vede la vostra azienda lo sviluppo del mercato del carburo di silicio? Come promuovere l'aggiornamento e lo sviluppo dei materiali in carburo di silicio? R:

Con la maturazione e la diffusione dei semiconduttori di terza generazione, come i dispositivi a semiconduttore di potenza in SiC, questi sostituiranno inizialmente i dispositivi al silicio nelle applicazioni. Tuttavia, in una fase successiva, sfrutteranno attivamente i loro vantaggi prestazionali per creare numerose nuove applicazioni, ovvero verranno impiegati in ambiti precedentemente inaccessibili ai dispositivi al silicio. Ad esempio, l'intrinseca resistenza alle alte temperature del SiC si adatta perfettamente ai dispositivi a semiconduttore ad alta temperatura in SiC, il che cambierà radicalmente il modello di progettazione dei sistemi di alimentazione e offrirà ai progettisti nuove e ampie possibilità di sviluppo. Queste tipiche applicazioni future ad alta temperatura e alta densità di potenza includono sistemi di propulsione per veicoli elettrici altamente integrati, velivoli multi-elettrici e completamente elettrici, persino aerei elettrici, stazioni di ricarica e power bank per sistemi di accumulo di energia mobile e diverse applicazioni di alimentazione in cui il raffreddamento a liquido è fortemente limitato. 

Il sistema di propulsione dei veicoli elettrici (motore, controllo elettronico e cambio) si sta evolvendo verso un'integrazione "tre in uno", ma attualmente è costituito solo da componenti assemblati strutturalmente, il che rappresenta un'integrazione debole. Dal punto di vista strutturale, in futuro, una profonda integrazione del sistema di propulsione sarà inevitabile, poiché ciò potrebbe ridurre il volume di circa un terzo, il peso di circa un terzo e il consumo interno di circa un terzo, oltre a diminuire il costo totale di 2-4 volte. Tuttavia, la parte di controllo elettronico sarà strettamente integrata con il motore e una profonda integrazione aumenterà notevolmente la densità di potenza. Le alte temperature rappresentano la sfida più grande e inevitabile.

Negli aeromobili tradizionali, le azioni meccaniche che controllano il timone di coda, le ali, il carrello di atterraggio, ecc., si basano sulla classica trasmissione idraulica. Essendo un liquido, l'olio idraulico è fortemente influenzato dall'ambiente e presenta elevati costi di manutenzione. Attualmente, si osserva una tendenza verso l'elettrificazione parziale o completa, che si concretizza nel concetto di aeromobili multi-elettrici e completamente elettrici. L'utilizzo di motori elettrici al posto dei circuiti idraulici per il funzionamento meccanico dell'aeromobile offre elevata affidabilità, facilità di manutenzione e semplifica la progettazione di sistemi di backup ridondanti. Tuttavia, il problema principale è che i motori e i controlli elettronici a bordo non possono essere dotati di raffreddamento ad acqua, e possono affidarsi solo al raffreddamento ad aria forzata e al raffreddamento naturale. Pertanto, per realizzare la progettazione del controllo elettronico di aeromobili multi-elettrici o completamente elettrici, o persino di aeromobili elettrici, il principale problema tecnico da risolvere è quello delle alte temperature. 

Inoltre, esistono numerosi scenari applicativi, soprattutto con la diffusione su larga scala dei veicoli elettrici: le stazioni di ricarica semi-mobili con accumulo di energia e i power bank completamente mobili colmeranno efficacemente le lacune della ricarica fissa in determinati contesti. Tuttavia, per questo tipo di applicazione di ricarica mobile, il meccanismo di raffreddamento ad acqua non solo comporterebbe un aumento di peso e volume, ma soprattutto consumerebbe l'energia elettrica immagazzinata. Pertanto, il raffreddamento naturale rappresenta la soluzione migliore per il controllo elettronico, ma è necessario gestire adeguatamente il problema della gestione termica del sistema di controllo elettronico.

Oltre alle tre tipiche applicazioni ad alta temperatura sopra descritte, in molte applicazioni industriali speciali in cui il raffreddamento a liquido è fortemente limitato, i sistemi di controllo elettronico si troveranno ad affrontare le stesse sfide legate alle alte temperature. La tecnologia di controllo elettrico ad alta temperatura è fondamentale per la realizzazione delle suddette applicazioni. La sua tecnologia di implementazione principale è la tecnologia di incapsulamento ad alta temperatura dei dispositivi di potenza in SiC e la corrispondente tecnologia dei circuiti di pilotaggio ad alta temperatura.

I materiali SiC e le relative strutture di dispositivi presentano un'intrinseca resistenza alle alte temperature e possono persino sopportare temperature da 400 a 600 °C in condizioni di vuoto. Nelle applicazioni pratiche, per prevenire l'ossidazione causata dall'esposizione all'aria, i dispositivi SiC devono essere incapsulati e, se devono resistere ad alte temperature, è necessario utilizzare incapsulamenti resistenti alle alte temperature. La temperatura di giunzione di 150 °C è attualmente lo standard più elevato del settore. Il livello di temperatura di giunzione di 175 °C ha appena iniziato a essere esplorato. Esistono incapsulamenti quasi standardizzati che possono essere utilizzati. Gli incapsulamenti con temperature pari o superiori a 200 °C hanno requisiti molto severi in termini di materiali e processi di incapsulamento e devono essere personalizzati in base alle caratteristiche del chip nudo per garantire i requisiti di conduttività termica e dissipazione del calore.

L'applicazione di dispositivi e moduli di potenza in SiC è inscindibile dai circuiti di pilotaggio e dai relativi chip. Tuttavia, la maggior parte dei chip per circuiti di pilotaggio sono dispositivi al silicio ordinari e non sono in grado di resistere alle alte temperature. Se riescono a funzionare a temperature elevate come 175 °C per 1,000 ore, è già un evento raro. Inoltre, la resistenza alle alte temperature è solo un aspetto del problema. Ciò che è più grave è la costanza delle prestazioni del dispositivo ad alte temperature. Le prestazioni dei dispositivi al silicio ordinari si deteriorano molto rapidamente al di sopra dei 70 °C, quindi non possono essere utilizzati ad alte temperature. Dopo oltre 20 anni di ricerca e sviluppo innovativi e test applicativi, i dispositivi speciali in silicio SOI di Cissoid hanno raggiunto una resistenza alle alte temperature di 175 °C e possono funzionare ininterrottamente per 15 anni. Le prestazioni presentano un'eccellente costanza nell'intero intervallo di temperatura e rappresentano un pilastro a supporto delle applicazioni SiC ad alta temperatura.

D: Ci può spiegare come l'industria cinese dei semiconduttori composti dovrebbe imparare dall'esperienza internazionale e accelerare lo sviluppo industriale? R: Sebbene la Cina abbia iniziato tardi nel campo dei semiconduttori composti e sia in ritardo rispetto ad altri Paesi, questo settore è molto adatto a raggiungere un rapido sviluppo in Cina. Ci sono tre ragioni principali. In primo luogo, i processi dei semiconduttori composti sono fondamentalmente a livello micrometrico. Dai materiali alle apparecchiature, esiste un supporto completo della catena industriale nazionale e non ci saranno gravi limitazioni dovute alla necessità di importare apparecchiature di produzione nanometrica di precisione (in particolare macchine per fotolitografia). In secondo luogo, la struttura dei dispositivi a semiconduttori composti è relativamente semplice e non richiede un supporto EDA di alto livello molto complesso. Ciò elimina anche le gravi limitazioni causate dalla necessità di importazioni. In terzo luogo, la Cina ha un mercato applicativo vasto ed enorme. Pertanto, si può concludere che i semiconduttori composti rappresenteranno una delle svolte più importanti per il miglioramento dell'industria cinese dei semiconduttori nel suo complesso. Negli ultimi anni, il Paese ha attribuito grande importanza all'industria manifatturiera dei semiconduttori e ha investito molto. Sono stati avviati, ampliati o costruiti decine di stabilimenti per la produzione di wafer. In particolare, di recente, alcuni addetti ai lavori hanno auspicato che la lavorazione dei sistemi microelettronici venga considerata una disciplina a sé stante. Si tratta di un fenomeno positivo. Tuttavia, osservando gli stabilimenti di produzione di wafer in Cina, si nota che sono tutti di nuova costruzione, dotati di nuove attrezzature e con investimenti ingenti. Ciò che manca maggiormente è la formazione di talenti nel campo dello sviluppo dei processi e un sistema di accumulo di competenze per la fase di mantenimento. Le lavorazioni meccaniche tradizionali, come torni, fresatrici e saldatrici, si avvalgono di un sistema di formazione professionale a più livelli, con benefit e sussidi per promuovere e sostenere lo sviluppo della professione. Un settore così importante come quello della lavorazione dei sistemi microelettronici dovrebbe disporre di un sistema di formazione del personale più completo.