Voorwoord van de hoofdredacteur

In 2020 hebben we gezamenlijk de wereldwijde pandemie van de COVID-19-epidemie meegemaakt. Bijna 2 miljoen mensen stierven in stilte. Respect voor het leven, respect voor de wetenschap en eensgezindheid in de strijd tegen de epidemie werden internationale consensus. De lockdown van Wuhan, de hevige overstromingen in de Yangtze, de bosbranden in Australië, de sprinkhanenplagen in Afrika en het uitbreken van hevige oorlogen in Nagorno-Karabach staan ​​ons allemaal nog helder voor de geest. 2020 was ongetwijfeld een jaar van grote rampen; maar dat is zeker niet alles. In 2020 waren we ook getuige van de ondertekening van het RCEP-akkoord, een regionaal vrijhandelsakkoord tussen 15 Aziatisch-Pacifische landen, wat het economische vertrouwen wereldwijd een boost gaf, de eerste commerciële bemande ruimtevlucht van SpaceX en het volledige succes van de Chang'e-5-missie. In een tijd waarin de wereldeconomie zwaar te lijden had, was China de enige grote economie die positieve groei wist te realiseren. Als motor van het economisch herstel heeft de halfgeleiderindustrie in 2020 haar verantwoordelijkheid durven nemen en geweldige resultaten geboekt: in het jaar van 5G werd de 5nm 5G-chip krachtig gelanceerd en bracht Apple de A14 Bionic uit, geproduceerd met TSMC's 5nm-proces en met 11.8 miljard transistors. Sindsdien hebben Huawei en Samsung ook de Kirin 9000-serie en de Exyon 1080 uitgebracht. De ontwikkeling en implementatie van EDA in de cloud, waarbij EDA-softwareleveranciers, IC-ontwerpbedrijven en gieterijen samenwerken en de mogelijkheden ervan bevorderen, kan inspelen op de behoeften van EDA-tools, grootschalige automatische intelligente planning van rekenkracht bieden en gebruikmaken van enorme cloudbronnen voor elastische rekenkrachtondersteuning. Dit verbetert direct de onderzoeks- en ontwikkelingscyclus en de opbrengst van chips, en verlaagt de ontwerpkosten. De geavanceerde 3D-verpakkingstechnologie is gestaag verbeterd en heeft de beperkingen van de Wet van Moore doorbroken. Het heeft duidelijke voordelen op het gebied van integratie, prestaties, energieverbruik, enzovoort. Samsung kondigde dit jaar aan dat zijn nieuwe X-Cube3D-verpakkingstechnologie klaar is voor gebruik... Natuurlijk hebben derde generatie halfgeleiders en andere samengestelde halfgeleiders, als rijzende sterren in de halfgeleiderindustrie, ook veel aandacht getrokken en zijn er veel hoogtepunten. Bekijk hieronder de prachtige visie van het Belgische halfgeleiderbedrijf Cissoid!

    Exclusief interview met Dr. Luo Ningsheng, algemeen directeur van Cissoid China, over samengestelde halfgeleiders.          

Dr. Luo Ningsheng is momenteel algemeen directeur van de Chinese vestiging van het Belgische bedrijf Cissoid. Daarvoor werkte hij in de halfgeleidermarkt en het bedrijfsmanagement voor een aantal Europese en Amerikaanse halfgeleiderbedrijven, voornamelijk verantwoordelijk voor de Chinese en Aziatisch-Pacifische markten en activiteiten. Tot deze bedrijven behoren Synaptics (NASDAQ: SYNA) in de Verenigde Staten, Silicon Data in de Verenigde Staten, PicoChip in het Verenigd Koninkrijk en Innovative Micro Technology in de Verenigde Staten. Hij promoveerde aan het Shanghai Institute of Technical Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen en bracht vervolgens vele jaren door als gastonderzoeker in Europa en de Verenigde Staten, waar hij onderzoek deed naar materiaalfysica. Zijn onderzoek omvatte onder meer onderzoek naar vaste-oppervlaktefysica aan het Max Planck Instituut voor Vloeistofdynamica in Göttingen, Duitsland, en onderzoek naar halfgeleidernanomaterialen aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Louisville in de Verenigde Staten.

Vraag: 2021 komt eraan. Hoe kijkt u, met het oog op het nieuwe jaar, naar de ontwikkelingen en veranderingen in de halfgeleiderindustrie en wat zijn uw conclusies en inzichten over 2020? Antwoord: In navolging van Tesla, en nadat BYD in 2020 officieel elektrische voertuigen met SiC MOSFETs in China lanceerde, besteden grote fabrikanten van elektrische voertuigen ook meer aandacht aan de toepassing van SiC in elektrische voertuigen. Voor boordcomputers (OBC), DC-DC-omvormers en laadpalen kunnen over het algemeen relatief eenvoudige SiC MOSFETs worden gebruikt, wat de efficiëntie verbetert en het volume en gewicht vermindert, terwijl de kosten relatief laag blijven. Voor motoraansturingen worden, om de hoogst mogelijke efficiëntie en het laagste warmteverlies te bereiken, doorgaans hoogwaardige SiC MOSFETs (dat wil zeggen met een relatief lage interne weerstand) gebruikt. Wat elektromotoren voor elektrische voertuigen betreft, heeft de industrie over het algemeen bevestigd dat de vervanging van traditionele IGBT's door SiC MOSFET's de energie-efficiëntie van het voertuig als geheel met 5-10% kan verhogen. Dit betekent dat de actieradius met 5-10% kan toenemen bij dezelfde accupakketcondities, wat zeer aantrekkelijk is. 2021 zal het jaar zijn waarin de toepassing van SiC in elektrische voertuigen een enorme vlucht neemt, aangezien het grootschalige tekort van dit jaar een indicatie is. Daarnaast heeft GaN zich de laatste tijd ook sterk ontwikkeld, met name in snelladers voor mobiele apparaten. Omdat het ook voor consumentenelektronica wordt gebruikt, zal de vraag ernaar zeer groot zijn, waardoor de leveringen van GaN-componenten binnenkort die van SiC-componenten met een factor van vele malen zullen overtreffen.

Vraag: Met de snelle ontwikkeling van 5G, elektrische voertuigen, big data, AI, IoT en andere technische gebieden ontstaan ​​er veel kansen voor samengestelde halfgeleiders. Welke uitdagingen en kansen ziet u voor samengestelde halfgeleiders? Samengestelde halfgeleiders (SiC en GaN) zijn nieuwe halfgeleidercomponenten die traditionele siliciumcomponenten willen vervangen. De grootste uitdaging is kostenbeheersing, wat betrekking heeft op de controle van de productieopbrengst en de productieschaal. Alleen door de opbrengst continu te verbeteren en de productieschaal uit te breiden, kunnen de kosten geleidelijk worden verlaagd, waardoor een brede toepassing op de markt mogelijk wordt. Uitdagingen bieden ook kansen, en dit is tevens de belangrijkste factor voor diverse fabrikanten van samengestelde halfgeleiders om marktaandeel te veroveren.

Vraag: Siliciumcarbide (SiC) is een materiaal met grote ontwikkelingsvooruitzichten, met name voor toepassingen in vermogenselektronica en microgolfradiofrequentieapparaten. Het krijgt momenteel veel aandacht. Hoe kijkt uw bedrijf naar de marktontwikkeling van siliciumcarbide? Hoe kunt u de verbetering en ontwikkeling van siliciumcarbidematerialen bevorderen? Antwoord:

Naarmate halfgeleiders van de derde generatie, zoals SiC-vermogenshalfgeleiders, volwassener en populairder worden, zullen ze in eerste instantie Si-componenten in toepassingen simpelweg vervangen. In een later stadium zullen ze echter actief gebruikmaken van hun prestatievoordelen om veel nieuwe toepassingen te creëren, dat wil zeggen dat ze betrokken zullen raken bij toepassingen die voorheen ontoegankelijk waren voor Si-componenten. De inherente hoge temperatuurbestendigheid van SiC sluit bijvoorbeeld zeer goed aan bij Cissoid-hoogtemperatuurhalfgeleiders, wat het ontwerp van energiesystemen ingrijpend zal veranderen en ontwerpers nieuwe en brede mogelijkheden voor uitbreiding zal bieden. Typische toekomstige toepassingen met hoge temperaturen en een hoge vermogensdichtheid omvatten diep geïntegreerde aandrijflijnen voor elektrische voertuigen, multi-elektrische en volledig elektrische vliegtuigen en zelfs elektrische vliegtuigen, mobiele energieopslaglaadstations en powerbanks, en diverse energietoepassingen waar vloeistofkoeling sterk beperkt is. 

De aandrijflijn van elektrische voertuigen (motor, elektronische besturing en versnellingsbak) is geëvolueerd naar een drie-in-één-systeem, maar momenteel is de integratie slechts structureel opgebouwd, wat een zwakke integratie is. Structureel gezien is diepe integratie van de aandrijflijn in de toekomst onvermijdelijk, omdat dit het volume, het gewicht en het interne verbruik met ongeveer een derde kan verminderen en de totale kosten met een factor 2 tot 4 kan verlagen. Het elektronische besturingsgedeelte zal echter nauw geïntegreerd worden met de motor, en diepe integratie zal de vermogensdichtheid aanzienlijk verhogen. De hoge temperaturen vormen daarbij de grootste uitdaging die niet te vermijden is.

In traditionele vliegtuigen zijn de mechanische bewegingen die het staartroer, de vleugels, het landingsgestel, enzovoort aansturen, afhankelijk van klassieke hydraulische transmissies. Hydraulische olie is een vloeistof en daardoor sterk beïnvloed door de omgeving, wat hoge onderhoudskosten met zich meebrengt. Momenteel is er een trend naar gedeeltelijke of volledige elektrificatie, wat resulteert in multi-elektrische en volledig elektrische vliegtuigen. Het gebruik van elektromotoren in plaats van hydraulische oliecircuits voor de mechanische werking van het vliegtuig biedt een hoge betrouwbaarheid, is gemakkelijk te onderhouden en maakt een redundant back-upsysteem mogelijk. Het grootste probleem is echter dat de motoren en elektronische besturingen in het vliegtuig niet mogen worden voorzien van waterkoeling en alleen kunnen vertrouwen op geforceerde luchtkoeling en natuurlijke koeling. Daarom is het belangrijkste technische probleem dat moet worden opgelost bij de realisatie van de elektronische besturing van multi-elektrische of volledig elektrische vliegtuigen, of zelfs volledig elektrische vliegtuigen, de hoge temperatuur. 

Daarnaast zijn er veel toepassingsscenario's, met name door de grootschalige popularisering van elektrische voertuigen. Semi-mobiele laadstations met energieopslag en volledig mobiele powerbanks kunnen in bepaalde situaties de lacunes in vaste laadstations effectief opvullen. Voor dit type mobiele laadtoepassing brengt het waterkoelingsmechanisme echter niet alleen extra gewicht en volume met zich mee, maar verbruikt het vooral de opgeslagen elektrische energie. Natuurlijke koeling is daarom de beste optie voor elektronische besturing, maar het thermisch beheer van het elektronische besturingssysteem moet wel goed worden aangepakt.

Naast de drie bovengenoemde typische toepassingen bij hoge temperaturen, zullen elektronische besturingssystemen in veel speciale industriële toepassingen, waar vloeistofkoeling sterk beperkt is, met dezelfde uitdagingen op het gebied van hoge temperaturen te maken krijgen. Elektrische besturingssystemen voor hoge temperaturen zijn essentieel voor het realiseren van deze toepassingen. De kern van de implementatietechnologie is de technologie voor het verpakken van SiC-vermogenscomponenten voor hoge temperaturen en de bijbehorende technologie voor aansturingscircuits die geschikt zijn voor hoge temperaturen.

SiC-materialen en hun apparaatstructuren hebben een inherente hoge temperatuurbestendigheid en kunnen zelfs temperaturen van 400 tot 600 °C onder vacuümomstandigheden weerstaan. In praktische toepassingen moeten SiC-componenten, om oxidatie door blootstelling aan lucht te voorkomen, worden verpakt. Om hoge temperaturen te weerstaan, moeten ze gebruikmaken van hittebestendige behuizingen. De junctietemperatuur van 150 °C is momenteel de hoogste norm in de industrie. De junctietemperatuur van 175 °C begint zich pas recent te ontwikkelen. Er zijn quasi-gestandaardiseerde behuizingen beschikbaar. Behuizingen met temperaturen van 200 °C of hoger stellen zeer strenge eisen aan verpakkingsmaterialen en -processen en moeten worden aangepast aan de eigenschappen van de chip om te voldoen aan de eisen op het gebied van thermische geleidbaarheid en warmteafvoer.

De toepassing van SiC-vermogenscomponenten en -modules is onlosmakelijk verbonden met drivercircuits en de bijbehorende chips. De meeste drivercircuitchips zijn echter gewone siliciumcomponenten die niet bestand zijn tegen hoge temperaturen. Het is al zeldzaam dat ze 1,000 uur lang bij temperaturen zoals 175 °C kunnen functioneren. Bovendien is hoge temperatuurbestendigheid slechts één aspect van het probleem. Een ernstiger probleem is de consistentie van de prestaties van de componenten bij hoge temperaturen. De prestaties van gewone siliciumcomponenten nemen boven de 70 °C zeer snel af, waardoor ze niet geschikt zijn voor gebruik bij hoge temperaturen. Na meer dan 20 jaar innovatief onderzoek en ontwikkeling en praktijktesten hebben de speciale SOI-siliciumcomponenten van Cissoid een hoge temperatuurbestendigheid van 175 °C bereikt en kunnen ze 15 jaar lang continu functioneren. De prestaties zijn uitstekend consistent over het gehele temperatuurbereik en vormen een belangrijke pijler voor SiC-toepassingen bij hoge temperaturen.

V: Kunt u uw mening delen over hoe de Chinese halfgeleiderindustrie kan leren van internationale ervaringen en de industriële ontwikkeling kan versnellen? A: Hoewel China laat is begonnen met de productie van halfgeleiders en achterloopt op andere landen, is dit gebied zeer geschikt voor snelle ontwikkeling in China. Daar zijn drie belangrijke redenen voor. Ten eerste vinden de processen voor de productie van halfgeleiders in principe plaats op micronniveau. Van materialen tot apparatuur is er een complete binnenlandse industriële keten beschikbaar, waardoor de import van hoogwaardige nanoproductieapparatuur (met name fotolithografiemachines) geen grote beperkingen met zich meebrengt. Ten tweede is de apparaatstructuur van halfgeleiders relatief eenvoudig en vereist geen zeer complexe EDA-ondersteuning op topniveau. Dit elimineert ook de ernstige beperkingen die import met zich meebrengt. Ten derde heeft China een enorme afzetmarkt. Daarom kan worden geconcludeerd dat halfgeleiders een belangrijke doorbraak zullen vormen voor de verbetering van de Chinese halfgeleiderindustrie als geheel. De afgelopen jaren heeft het land veel waarde gehecht aan de halfgeleiderproductie-industrie en hierin fors geïnvesteerd. Tientallen waferfabrieken zijn opgericht, uitgebreid of gebouwd. Vooral de laatste tijd pleiten sommigen in de industrie ervoor om micro-elektronische systeemverwerking als een aparte discipline te beschouwen. Dit is een uitstekende ontwikkeling. Echter, kijkend naar de binnenlandse waferfabrieken, zien we dat ze allemaal beschikken over nieuwe fabrieken en nieuwe apparatuur, en dat de investeringen zeer groot zijn. Wat vooral ontbreekt, is talent op het gebied van procesontwikkeling en een systeem voor talentontwikkeling in het onderhoudsproces. Traditionele mechanische bewerkingen, zoals draaien, frezen en lassen, kennen een meerlagig vakopleidingssysteem met bijbehorende voordelen en subsidies om de ontwikkeling van het vakgebied te bevorderen en te onderhouden. Zo'n belangrijke micro-elektronische systeemverwerkingsindustrie zou een meer omvattend talentopleidingssysteem moeten hebben.