Słowo wstępne redaktora naczelnego

W 2020 roku wspólnie przeżyliśmy globalną pandemię epidemii COVID-19. Prawie 2 miliony ludzi zmarło w ciszy. Szacunek dla życia, szacunek dla nauki i jedność w walce z epidemią stały się międzynarodowymi konsensusami. Lockdown w Wuhan, szalejące powodzie na rzece Jangcy, pożary buszu w Australii, plagi szarańczy w Afryce i wybuch zaciekłych wojen w regionie Górskiego Karabachu – wszystko to jest żywo w naszej pamięci. Można powiedzieć, że rok 2020 był rokiem wielkich katastrof; ale to bynajmniej nie wszystko. W 2020 roku byliśmy również świadkami podpisania regionalnej umowy o wolnym handlu RCEP przez 15 krajów Azji i Pacyfiku, co wzmocniło zaufanie gospodarcze na świecie, SpaceX zrealizował pierwszy komercyjny załogowy lot kosmiczny, a misja Chang'e-5 zakończyła się pełnym sukcesem. W czasie, gdy gospodarka światowa była poważnie dotknięta, Chiny stały się jedyną dużą gospodarką, która osiągnęła dodatni wzrost. Jako siła napędowa ożywienia gospodarczego, przemysł półprzewodników odważył się również wziąć na siebie swoją odpowiedzialność w 2020 roku i osiągnął świetne wyniki: w roku 5G, chip 5nm 5G został mocno wprowadzony na rynek, a Apple wprowadził na rynek A14 Bionic wykorzystujący proces 5nm TSMC, integrujący 11.8 miliarda tranzystorów. Od tego czasu Huawei i Samsung wypuściły również serię Kirin 9000 i Exyony 1080. Eksploracja i wdrażanie EDA w chmurze, dostawcy oprogramowania EDA, firmy projektowe IC i odlewnie współpracują i promują, mogą dostosować się do potrzeb korzystania z narzędzi EDA, mają automatyczne inteligentne harmonogramowanie mocy obliczeniowej na dużą skalę i ogromne zasoby chmury, aby zapewnić elastyczne wsparcie mocy obliczeniowej, bezpośrednio usprawnić cykl badawczo-rozwojowy i wskaźnik wydajności chipów oraz obniżyć koszty projektowania chipów. Zaawansowana technologia pakowania 3D stale się rozwija, przełamując wąskie gardło prawa Moore'a. Ma oczywiste zalety pod względem integracji, wydajności, zużycia energii itp. Samsung ogłosił w tym roku, że jego nowa technologia pakowania X-Cube3D jest gotowa do użycia... Oczywiście, jako wschodząca gwiazda w dziedzinie półprzewodników, półprzewodniki trzeciej generacji i inne półprzewodniki złożone również przyciągnęły uwagę i mają wiele atutów. Zapraszamy do obejrzenia poniżej wspaniałych zdjęć belgijskiej firmy półprzewodnikowej Cissoid!

    Ekskluzywny wywiad „Compound Semiconductor” z dr. Luo Ningshengiem, dyrektorem generalnym Cissoid China          

Dr Luo Ningsheng jest obecnie dyrektorem generalnym belgijskiej firmy Cissoid w Chinach. Wcześniej pracował na rynku półprzewodników i w zarządzaniu biznesem w wielu europejskich i amerykańskich firmach półprzewodnikowych, odpowiadając głównie za rynki i działalność w Chinach oraz regionie Azji i Pacyfiku. Do firm tych należą Synaptics (NASDAQ: SYNA) w Stanach Zjednoczonych, Silicon Data w Stanach Zjednoczonych, PicoChip w Wielkiej Brytanii oraz Innovative Micro Technology w Stanach Zjednoczonych. Uzyskał tytuł doktora w Szanghajskim Instytucie Fizyki Technicznej Chińskiej Akademii Nauk, a następnie spędził wiele lat jako profesor wizytujący w Europie i Stanach Zjednoczonych, zajmując się badaniami z zakresu fizyki materiałów, w tym badaniami z zakresu fizyki powierzchni ciał stałych w Instytucie Dynamiki Płynów Maxa Plancka w Getyndze w Niemczech oraz badaniami nad nanomateriałami półprzewodnikowymi na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Louisville w Stanach Zjednoczonych.

Zbliża się rok 2021. W obliczu nadchodzącego roku, jak Pan postrzega rozwój i zmiany w branży półprzewodników złożonych oraz jakie są Pana wnioski i spostrzeżenia dotyczące roku 2020? Po Tesli, w 2020 roku, gdy BYD objął prowadzenie w oficjalnym wprowadzeniu na rynek pojazdów elektrycznych napędzanych tranzystorami MOSFET z węglika krzemu (SiC) w Chinach, główni producenci pojazdów elektrycznych również zwracają większą uwagę na zastosowanie SiC w pojazdach elektrycznych. Jeśli chodzi o OBC, DC-DC i stosy ładowania, generalnie można stosować stosunkowo tanie tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC), co może poprawić wydajność oraz zmniejszyć objętość i wagę przy jednoczesnym utrzymaniu stosunkowo niskich kosztów. W zastosowaniach napędowych, aby osiągnąć najwyższą możliwą wydajność i najniższe straty ciepła, stosuje się zazwyczaj wysokiej klasy tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC) (tj. o stosunkowo małej rezystancji wewnętrznej). Jeśli chodzi o silniki pojazdów elektrycznych, branża potwierdziła, że ​​zastąpienie tradycyjnych tranzystorów IGBT tranzystorami MOSFET z węglika krzemu (SiC) może zwiększyć efektywność energetyczną całego pojazdu o 5-10%, co oznacza, że ​​zasięg pojazdu może wzrosnąć o 5-10% przy tych samych parametrach akumulatora, co jest bardzo atrakcyjne. Rok 2021 będzie rokiem, w którym zastosowanie SiC w pojazdach elektrycznych zacznie gwałtownie rosnąć, o czym świadczy tegoroczny deficyt na dużą skalę. Ponadto GaN również rozwija się w ostatnim czasie bardzo dobrze, a jego głównym zastosowaniem są szybkie ładowarki do urządzeń mobilnych. Ponieważ dotyczy on zastosowań w elektronice użytkowej, popyt na niego będzie bardzo duży, więc dostawy GaN wkrótce przewyższą dostawy urządzeń SiC o rzędy wielkości.

P: Szybki rozwój technologii 5G, nowych pojazdów elektrycznych, dużych zbiorów danych, sztucznej inteligencji, Internetu Rzeczy i innych dziedzin techniki przyniesie wiele możliwości dla półprzewodników złożonych. Jakie wyzwania i możliwości stoją przed półprzewodnikami złożonymi? Półprzewodniki złożone (SiC i GaN) to nowe urządzenia półprzewodnikowe, które mają zastąpić tradycyjne półprzewodniki krzemowe. Największym wyzwaniem jest kontrola kosztów, która obejmuje kontrolę wydajności i skali produkcji. Tylko poprzez ciągłą poprawę wydajności i zwiększanie skali produkcji można stopniowo obniżać koszty, a tym samym zdobywać szerokie zastosowanie na rynku. Wyzwania to również szanse, a to właśnie one stanowią kluczowy obszar dla różnych producentów półprzewodników złożonych, aby zdobyć i zdobyć udział w rynku.

P Węglik krzemu (SiC) to materiał o dużych perspektywach rozwoju, szczególnie w zastosowaniach elektroniki mocy i mikrofalowych urządzeń radiowych. Obecnie cieszy się on dużym zainteresowaniem. Jak Państwa firma postrzega rozwój rynku węglika krzemu? Jak promować modernizację i rozwój materiałów z węglika krzemu? O

W miarę jak półprzewodniki trzeciej generacji, takie jak półprzewodniki mocy SiC, stają się coraz bardziej dojrzałe i popularne, będą one po prostu zastępować układy Si w zastosowaniach na wczesnym etapie. Jednak w późniejszym etapie będą aktywnie wykorzystywać swoje zalety wydajnościowe do tworzenia wielu nowych zastosowań, tj. będą angażować się w aplikacje, które wcześniej były niedostępne dla układów SiC. Na przykład, naturalna odporność SiC na wysokie temperatury bardzo dobrze pasuje do wysokotemperaturowych układów półprzewodnikowych Cissoid, co znacząco zmieni sposób projektowania systemów energetycznych i zapewni projektantom nowe i szerokie możliwości rozwoju. Te typowe, przyszłościowe zastosowania wysokotemperaturowe i o wysokiej gęstości mocy obejmują głęboko zintegrowane układy napędowe pojazdów elektrycznych, samoloty wieloelektryczne i całkowicie elektryczne, a nawet samoloty elektryczne, mobilne stacje ładowania energii i banki energii oraz różne zastosowania energetyczne, w których chłodzenie cieczą jest poważnie ograniczone. 

Układ napędowy pojazdów elektrycznych (silnik, sterowanie elektroniczne i skrzynia biegów) ewoluował w kierunku koncepcji „trzy w jednym”, ale obecnie jest on jedynie strukturalnie połączony, co oznacza słabą integrację. Z punktu widzenia konstrukcji, w przyszłości głęboka integracja układu napędowego jest nieunikniona, ponieważ może zmniejszyć objętość o około jedną trzecią, wagę o około jedną trzecią, zużycie energii o około jedną trzecią, a całkowity koszt może obniżyć się 2-4-krotnie. Jednak elektroniczny układ sterowania będzie ściśle zintegrowany z silnikiem, a głęboka integracja znacznie zwiększy gęstość mocy. Wysokie temperatury to największe wyzwanie, którego nie da się uniknąć.

W tradycyjnych samolotach, mechaniczne działania sterujące sterem kierunku, skrzydłami, podwoziem itp. opierają się na klasycznej przekładni hydraulicznej. Jako ciecz, olej hydrauliczny jest silnie zależny od środowiska i wiąże się z wysokimi kosztami utrzymania. Obecnie obserwuje się trend w kierunku częściowej lub całkowitej elektryfikacji, co jest koncepcją samolotów wieloelektrycznych i całkowicie elektrycznych. Zastosowanie silników elektrycznych zamiast obwodów oleju hydraulicznego w samolocie w celu zapewnienia działania mechanicznego charakteryzuje się wysoką niezawodnością, łatwą konserwacją i umożliwia redundantną konstrukcję zapasową. Największym problemem jest jednak to, że silniki i elektroniczne elementy sterujące w samolocie nie mogą być wyposażone w chłodzenie wodne i mogą opierać się jedynie na wymuszonym chłodzeniu powietrzem i chłodzeniu naturalnym. Dlatego, aby zrealizować projekt elektronicznego sterowania samolotów wieloelektrycznych lub całkowicie elektrycznych, a nawet samolotów elektrycznych, głównym problemem technicznym, który należy najpierw rozwiązać, jest wysoka temperatura. 

Ponadto istnieje wiele scenariuszy zastosowań, zwłaszcza wraz z masową popularyzacją pojazdów elektrycznych. Półmobilne stacje ładowania z magazynowaniem energii i w pełni mobilne power banki skutecznie wypełnią lukę w stacjonarnym ładowaniu w niektórych sytuacjach. Jednak w tego typu zastosowaniach mobilnych, mechanizm chłodzenia cieczą nie tylko niesie ze sobą dodatkowe obciążenie w postaci dodatkowej masy i objętości, ale co ważniejsze, zużywa zgromadzoną energię elektryczną. Dlatego naturalne chłodzenie będzie najlepszym rozwiązaniem dla elektronicznego sterowania, ale problem zarządzania temperaturą elektronicznego systemu sterowania musi zostać odpowiednio rozwiązany.

Oprócz trzech typowych zastosowań wysokotemperaturowych, w wielu specjalistycznych zastosowaniach przemysłowych, gdzie chłodzenie cieczą jest mocno ograniczone, elektroniczne systemy sterowania będą stawiać czoła tym samym wyzwaniom związanym z wysoką temperaturą. Technologia sterowania elektrycznego w wysokiej temperaturze jest kluczem do realizacji powyższych zastosowań wysokotemperaturowych. Jej podstawową technologią jest technologia wysokotemperaturowej obudowy układów mocy SiC oraz odpowiadająca jej technologia wysokotemperaturowych obwodów sterujących.

Materiały SiC i ich struktury charakteryzują się wysoką odpornością na temperaturę i mogą wytrzymywać temperatury od 400 do 600°C w warunkach próżni. W zastosowaniach praktycznych, aby zapobiec utlenianiu spowodowanemu kontaktem z powietrzem, urządzenia SiC muszą być obudowane, a jeśli mają wytrzymać wysokie temperatury, muszą być stosowane w obudowach odpornych na wysokie temperatury. Temperatura złącza wynosząca 150°C jest obecnie najwyższym standardem w branży. Temperatura złącza 175°C dopiero zaczyna być ujawniana. Istnieją quasi-standardowe obudowy, które mogą być stosowane. Obudowy o temperaturze 200°C lub wyższej mają bardzo surowe wymagania dotyczące materiałów i procesów pakowania i muszą być dostosowane do charakterystyki samego układu scalonego, aby zapewnić wymagania dotyczące przewodności cieplnej i wydajności rozpraszania ciepła.

Zastosowanie układów i modułów mocy SiC jest nierozerwalnie związane z obwodami sterującymi i odpowiadającymi im układami scalonymi. Jednak większość układów sterujących to zwykłe układy krzemowe, które nie są odporne na wysokie temperatury. Jeśli mogą one pracować w wysokich temperaturach, takich jak 175°C przez 1,000 godzin, jest to rzadkość. Ponadto, odporność na wysoką temperaturę to tylko jeden aspekt problemu. Poważniejszym problemem jest stabilność działania urządzenia w wysokich temperaturach. Wydajność zwykłych układów krzemowych bardzo szybko spada powyżej 70°C, dlatego nie mogą być one używane w wysokich temperaturach. Po ponad 20 latach innowacyjnych prac badawczo-rozwojowych i testów aplikacyjnych, specjalne układy krzemowe SOI firmy Cissoid osiągnęły odporność na wysoką temperaturę 175°C i mogą pracować nieprzerwanie przez 15 lat. Wydajność charakteryzuje się doskonałą stabilnością w całym zakresie temperatur i stanowi podstawę dla wysokotemperaturowych zastosowań SiC.

P: Proszę podzielić się swoimi poglądami na temat tego, jak chiński przemysł półprzewodników złożonych powinien czerpać z doświadczeń międzynarodowych i przyspieszyć rozwój przemysłu. O: Chociaż Chiny późno rozpoczęły rozwój w dziedzinie półprzewodników złożonych i pozostają w tyle za innymi krajami, sektor ten jest bardzo odpowiedni do osiągnięcia szybkiego rozwoju w Chinach. Istnieją trzy główne powody. Po pierwsze, procesy wytwarzania półprzewodników złożonych są zasadniczo na poziomie mikronów. Od materiałów po sprzęt, istnieje pełne wsparcie krajowego łańcucha przemysłowego, a konieczność importu precyzyjnego sprzętu produkcyjnego w skali nano (zwłaszcza urządzeń do fotolitografii) nie będzie poważnie ograniczona. Po drugie, struktura urządzeń półprzewodników złożonych jest stosunkowo prosta i nie wymaga bardzo złożonego wsparcia EDA na najwyższym poziomie. Eliminuje to również poważne ograniczenia wynikające z konieczności importu. Po trzecie, Chiny mają ogromny i ogromny rynek zastosowań. Dlatego można wnioskować, że półprzewodniki złożone będą jednym z ważnych przełomów dla rozwoju całego chińskiego przemysłu półprzewodników. W ostatnich latach kraj przywiązywał dużą wagę do przemysłu półprzewodników i dużo w niego inwestował. Powstały, rozbudowano lub zbudowano dziesiątki fabryk płytek półprzewodnikowych. Szczególnie ostatnio niektórzy przedstawiciele branży postulują traktowanie przetwarzania układów mikroelektronicznych jako osobnej dyscypliny. To znakomite zjawisko. Jednak patrząc na krajowe fabryki płytek półprzewodnikowych, wszystkie mają nowe fabryki i nowy sprzęt, a inwestycje są bardzo wysokie. Najbardziej brakuje talentów w dziedzinie rozwoju procesów oraz systemu akumulacji talentów w procesie utrzymania ruchu. Tradycyjna obróbka mechaniczna, taka jak tokarki, frezarki i spawacze, opiera się na wielopoziomowym systemie rzemieślniczym, powiązanym z benefitami i dotacjami, aby promować i utrzymywać rozwój zawodu. Tak ważna branża przetwarzania układów mikroelektronicznych powinna mieć bardziej kompleksowy system szkolenia talentów.