Prefácio do Editor-Chefe

Em 2020, vivenciamos juntos a pandemia global da COVID-19. Quase 2 milhões de pessoas faleceram silenciosamente. Respeitar a vida, respeitar a ciência e unir forças para combater a epidemia tornaram-se consensos internacionais. O lockdown de Wuhan, as enchentes devastadoras no Rio Yangtzé, os incêndios florestais na Austrália, as pragas de gafanhotos na África e o início dos violentos conflitos na região de Nagorno-Karabakh estão todos vívidos em nossas memórias. Pode-se dizer que 2020 foi um ano de grandes desastres; mas isso não é tudo. Em 2020, também testemunhamos a assinatura do RCEP, acordo de livre comércio regional, por 15 países da Ásia-Pacífico, impulsionando a confiança na economia mundial, a realização do primeiro voo espacial tripulado comercial pela SpaceX e o sucesso completo da missão Chang'e-5. Em um momento em que a economia mundial foi severamente impactada, a China se tornou a única grande economia a alcançar crescimento positivo. Como motor da recuperação econômica, a indústria de semicondutores também ousou assumir suas responsabilidades em 2020 e alcançou ótimos resultados: no ano do 5G, o chip 5G de 5nm foi lançado com força, e a Apple lançou o A14 Bionic usando o processo de 5nm da TSMC, integrando 11.8 bilhões de transistores. Desde então, a Huawei e a Samsung também lançaram as séries Kirin 9000 e Exynos 1080. A exploração e implementação de EDA na nuvem, com fornecedores de software EDA, empresas de design de circuitos integrados e fundições cooperando e promovendo essa tecnologia, permite a adaptação às necessidades do uso de ferramentas EDA, o agendamento inteligente e automático em larga escala de poder computacional e o fornecimento de recursos massivos em nuvem para oferecer suporte elástico de poder computacional, melhorando diretamente o ciclo de pesquisa e desenvolvimento e a taxa de rendimento de chips, além de reduzir os custos de design de chips. A tecnologia avançada de encapsulamento 3D evoluiu constantemente, superando o gargalo da Lei de Moore. A tecnologia apresenta vantagens óbvias em termos de integração, desempenho, consumo de energia, etc. A Samsung anunciou este ano que sua nova tecnologia de encapsulamento X-Cube3D está pronta para uso... Naturalmente, como uma estrela em ascensão no setor de semicondutores, os semicondutores de terceira geração e outros semicondutores compostos também têm atraído muita atenção e se destacado. Confira abaixo as incríveis inovações da empresa belga de semicondutores Cissoid!

    Entrevista exclusiva da "Compound Semiconductor" com o Dr. Luo Ningsheng, Gerente Geral da Cissoid China.          

O Dr. Luo Ningsheng é atualmente o Gerente Geral da Cissoid Company na China, uma empresa belga. Anteriormente, trabalhou no mercado de semicondutores e na gestão de negócios para diversas empresas europeias e americanas do setor, sendo o principal responsável pelos mercados e negócios da China e da região Ásia-Pacífico. Entre essas empresas, destacam-se a Synaptics (NASDAQ: SYNA) nos Estados Unidos, a Silicon Data também nos Estados Unidos, a PicoChip no Reino Unido e a Innovative Micro Technology nos Estados Unidos. Ele possui doutorado pelo Instituto de Física Técnica de Xangai, da Academia Chinesa de Ciências, e posteriormente passou muitos anos como pesquisador visitante na Europa e nos Estados Unidos, dedicando-se à pesquisa em física de materiais, incluindo pesquisa em física de superfícies sólidas no Instituto Max Planck de Dinâmica de Fluidos em Göttingen, Alemanha, e pesquisa em nanomateriais semicondutores no Departamento de Física da Universidade de Louisville, nos Estados Unidos.

P: 2021 está chegando. Diante do novo ano, como você vê o desenvolvimento e as mudanças na indústria de semicondutores compostos, e quais são suas conclusões e percepções sobre 2020? R: Seguindo o exemplo da Tesla, em 2020, com a BYD liderando o lançamento oficial de veículos elétricos movidos a MOSFETs de SiC na China, as principais montadoras de veículos elétricos também estão dando mais atenção à aplicação de SiC em veículos elétricos. Em termos de OBC (Original Carrier), conversores DC-DC e estações de carregamento, MOSFETs de SiC de baixo custo geralmente podem ser usados, o que pode melhorar a eficiência e reduzir o volume e o peso, mantendo os custos relativamente baixos. Para aplicações em acionamento de motores, visando a maior eficiência possível e a menor perda de calor, MOSFETs de SiC de alta qualidade (ou seja, com resistência interna relativamente baixa) tendem a ser usados. Em termos de motores para veículos elétricos, a indústria geralmente confirma que a substituição dos IGBTs tradicionais por MOSFETs de SiC pode aumentar a eficiência energética do veículo em 5 a 10%, o que significa um aumento de 5 a 10% na autonomia, mantendo as mesmas condições de bateria. Isso é bastante atrativo. 2021 será o ano em que a aplicação de SiC em veículos elétricos começará a explodir, como demonstra a escassez em larga escala observada este ano. Além disso, o GaN também apresentou um desenvolvimento significativo recentemente, com destaque para os carregadores rápidos para dispositivos móveis. Como envolve aplicações em eletrônicos de consumo, a demanda por GaN será muito alta, e as remessas em breve ultrapassarão as de SiC em várias ordens de magnitude.

Com o rápido desenvolvimento do 5G, veículos de novas energias, big data, IA, IoT e outras áreas tecnológicas, surgirão muitas oportunidades para os semicondutores compostos. Quais desafios e oportunidades você acredita que os semicondutores compostos enfrentam? Os semicondutores compostos (SiC e GaN), sendo novos dispositivos semicondutores que visam substituir os dispositivos de silício tradicionais, enfrentam como maior desafio o controle de custos, que envolve o controle do rendimento e da escala de produção. Somente melhorando continuamente a taxa de rendimento e expandindo a escala de produção será possível reduzir gradualmente os custos, conquistando assim uma ampla aplicação no mercado. Os desafios também representam oportunidades, e essa é a principal estratégia para que os fabricantes de semicondutores compostos alcancem o sucesso e conquistem participação de mercado.

P: O carboneto de silício (SiC) é um material com grande potencial de desenvolvimento, especialmente em aplicações de eletrônica de potência e dispositivos de radiofrequência de micro-ondas. Atualmente, ele vem recebendo muita atenção. Como sua empresa vê o desenvolvimento do mercado de carboneto de silício? Como promover o aprimoramento e o desenvolvimento de materiais de carboneto de silício? R:

À medida que os semicondutores de terceira geração, como os dispositivos semicondutores de potência de SiC, amadurecem e se popularizam, eles simplesmente substituirão os dispositivos de Si em aplicações na fase inicial. No entanto, em uma fase posterior, eles aproveitarão ativamente suas vantagens de desempenho para criar muitas novas aplicações, ou seja, entrarão em aplicações antes inacessíveis aos dispositivos de Si. Por exemplo, a resistência inerente a altas temperaturas do SiC é uma excelente combinação com dispositivos semicondutores de alta temperatura do tipo Cissoid, o que mudará significativamente o padrão de projeto de sistemas de energia e fornecerá aos engenheiros de projeto um novo e amplo espaço para expansão. Essas aplicações típicas e futuras de alta temperatura e alta densidade de potência incluem sistemas de propulsão de veículos elétricos profundamente integrados, aeronaves multielétricas e totalmente elétricas, incluindo aeronaves elétricas, estações de carregamento de armazenamento de energia móvel e power banks, além de diversas aplicações de energia onde o resfriamento líquido é severamente limitado. 

O sistema de propulsão de veículos elétricos (motor, controle eletrônico e caixa de câmbio) tem evoluído para um modelo três-em-um, mas atualmente essa integração é apenas estrutural, o que representa uma integração frágil. Do ponto de vista estrutural, no futuro, a integração profunda do sistema de propulsão é um caminho inevitável, pois pode reduzir o volume em cerca de um terço, o peso em cerca de um terço e o consumo interno em cerca de um terço, podendo reduzir o custo total de duas a quatro vezes. No entanto, a integração estreita entre o controle eletrônico e o motor aumentará significativamente a densidade de potência. A alta temperatura é o maior desafio que não pode ser evitado.

Em aeronaves tradicionais, as ações mecânicas que controlam o leme de cauda, ​​as asas, o trem de pouso, etc., dependem da transmissão hidráulica clássica. Como um líquido, o óleo hidráulico é bastante afetado pelo ambiente e apresenta altos custos de manutenção. Atualmente, há uma tendência para a eletrificação parcial ou total, que é o conceito de aeronaves multielétricas e totalmente elétricas. O uso de motores elétricos em vez de circuitos hidráulicos para realizar a operação mecânica da aeronave oferece alta confiabilidade, facilidade de manutenção e permite o projeto de sistemas de backup redundantes. No entanto, o maior dilema é que os motores e os controles eletrônicos da aeronave não podem ser equipados com refrigeração a água, dependendo apenas da refrigeração por ar forçado e da refrigeração natural. Portanto, para viabilizar o projeto de controle eletrônico de aeronaves multielétricas ou totalmente elétricas, ou mesmo de aeronaves totalmente elétricas, o principal problema técnico a ser resolvido em primeiro lugar é o da alta temperatura. 

Além disso, existem muitos cenários de aplicação, especialmente com a popularização em larga escala de veículos elétricos. Estações de carregamento semimóveis com armazenamento de energia e power banks totalmente móveis preencherão efetivamente as lacunas do carregamento fixo em determinados cenários. No entanto, para esse tipo de aplicação de carregamento móvel, o mecanismo de resfriamento a água não só acarretará peso e volume extras, como, mais importante, consumirá a energia elétrica armazenada. Portanto, o resfriamento natural será a melhor opção para o controle eletrônico, mas o problema de gerenciamento térmico do sistema de controle eletrônico deve ser tratado adequadamente.

Além das três aplicações típicas de alta temperatura mencionadas acima, em muitas aplicações industriais especiais onde o resfriamento líquido é severamente limitado, os sistemas de controle eletrônico enfrentarão os mesmos desafios de alta temperatura. A tecnologia de controle elétrico de alta temperatura é fundamental para viabilizar essas aplicações. Sua principal tecnologia de implementação reside na tecnologia de encapsulamento de alta temperatura de dispositivos de potência de SiC e na tecnologia de circuitos de acionamento de alta temperatura correspondente.

Os materiais de SiC e suas estruturas de dispositivos possuem resistência inerente a altas temperaturas, podendo suportar temperaturas de 400 a 600 °C mesmo em condições de vácuo. Em aplicações práticas, para evitar a oxidação causada pela exposição ao ar, os dispositivos de SiC precisam ser encapsulados e, para suportar altas temperaturas, devem utilizar encapsulamentos resistentes a altas temperaturas. A temperatura de junção de 150 °C é atualmente o padrão mais elevado da indústria. O nível de temperatura de junção de 175 °C está apenas começando a ser explorado. Existem encapsulamentos quase padronizados que podem ser utilizados. Encapsulamentos com temperaturas de 200 °C ou superiores têm requisitos muito rigorosos quanto aos materiais e processos de encapsulamento, e devem ser personalizados de acordo com as características do chip para garantir os requisitos de condutividade térmica e desempenho de dissipação de calor.

A aplicação de dispositivos e módulos de potência de SiC é inseparável dos circuitos de acionamento e seus respectivos chips. No entanto, a maioria dos chips de circuitos de acionamento são dispositivos de silício comuns e não suportam altas temperaturas. Mesmo aqueles que conseguem operar a temperaturas elevadas, como 175 °C por 1,000 horas, são raros. Além disso, a resistência a altas temperaturas é apenas um aspecto do problema. O mais sério é a consistência do desempenho do dispositivo em altas temperaturas. O desempenho de dispositivos de silício comuns se deteriora rapidamente acima de 70 °C, o que os torna inadequados para uso em altas temperaturas. Após mais de 20 anos de pesquisa e desenvolvimento inovadores e testes de aplicação, os dispositivos de silício SOI especiais da Cissoid alcançaram uma resistência a altas temperaturas de 175 °C e podem operar continuamente por 15 anos. O desempenho apresenta excelente consistência em toda a faixa de temperatura e é um pilar fundamental para aplicações de SiC em altas temperaturas.

P: Por favor, compartilhe sua opinião sobre como a indústria de semicondutores compostos da China deve aprender com a experiência internacional e acelerar o desenvolvimento industrial. R: Embora a China tenha começado tarde no campo dos semicondutores compostos e esteja atrás de outros países, este campo é muito adequado para alcançar um rápido desenvolvimento no país. Há três razões principais. Primeiro, os processos de fabricação de semicondutores compostos são basicamente em escala micrométrica. Desde os materiais até os equipamentos, há um suporte completo da cadeia industrial nacional, e não haverá restrições severas devido à necessidade de importar equipamentos de fabricação em nanoescala de alta precisão (especialmente máquinas de fotolitografia). Segundo, a estrutura dos dispositivos de semicondutores compostos é relativamente simples e não requer suporte EDA de alto nível muito complexo. Isso também elimina as sérias restrições causadas pela necessidade de importações. Terceiro, a China possui um mercado de aplicação vasto e enorme. Portanto, pode-se concluir que os semicondutores compostos serão um dos avanços importantes para o aprimoramento da indústria de semicondutores da China como um todo. Nos últimos anos, o país tem dado grande importância à indústria de fabricação de semicondutores e investido muito nela. Dezenas de fábricas de semicondutores foram iniciadas, expandidas ou construídas. Recentemente, alguns profissionais do setor têm defendido que o processamento de sistemas microeletrônicos seja tratado como uma disciplina separada. Isso é um excelente sinal. No entanto, ao observarmos as fábricas de semicondutores nacionais, percebemos que todas possuem instalações e equipamentos novos, com investimentos vultosos. O que mais falta é talento na área de desenvolvimento de processos e um sistema de formação continuada para a manutenção dos processos. O processamento mecânico tradicional, como tornos, fresadoras e soldadores, possui um sistema de qualificação profissional com múltiplos níveis, vinculado a benefícios e subsídios para promover e manter o desenvolvimento da profissão. Um setor tão importante como o de processamento de sistemas microeletrônicos deveria contar com um sistema de formação de talentos mais abrangente.