Предисловие главного редактора

В 2020 году мы вместе пережили глобальную пандемию эпидемии COVID-19. Почти 2 миллиона человек тихо ушли из жизни. Уважение к жизни, уважение к науке и объединение усилий в борьбе с эпидемией стали международным консенсусом. Карантин в Ухане, бушующие наводнения на реке Янцзы, лесные пожары в Австралии, нашествия саранчи в Африке и начало ожесточенных войн в Нагорно-Карабахском регионе – все это живо запечатлелось в нашей памяти. Можно сказать, что 2020 год был годом великих катастроф; но это далеко не все. В 2020 году мы также стали свидетелями подписания соглашения о региональном сотрудничестве в области свободной торговли RCEP 15 странами Азиатско-Тихоокеанского региона, что укрепило мировое экономическое доверие, первого коммерческого пилотируемого космического полета SpaceX и полного успеха миссии Chang'e-5. В то время, когда мировая экономика сильно пострадала, Китай стал единственной крупной экономикой, добившейся положительного роста. Полупроводниковая промышленность, как двигатель экономического восстановления, в 2020 году также смело взяла на себя ответственность и добилась больших результатов: в год 5G был активно запущен 5-нм чип 5G, а Apple выпустила процессор A14 Bionic, использующий 5-нм техпроцесс TSMC, с интеграцией 11.8 миллиардов транзисторов. С тех пор Huawei и Samsung также выпустили серии Kirin 9000 и Exyon 1080. Исследование и внедрение EDA в облаке, сотрудничество и продвижение со стороны поставщиков программного обеспечения EDA, компаний-разработчиков интегральных схем и литейных предприятий позволяют адаптироваться к потребностям использования инструментов EDA, обеспечивают крупномасштабное автоматическое интеллектуальное планирование вычислительных мощностей и масштабную поддержку облачных ресурсов для гибкой работы, напрямую улучшая цикл исследований и разработок и коэффициент выхода годных чипов, а также снижая затраты на проектирование. Технология 3D-упаковки неуклонно совершенствовалась, преодолевая узкое место закона Мура. Она обладает очевидными преимуществами с точки зрения интеграции, производительности, энергопотребления и т. д. В этом году Samsung объявила о готовности к использованию своей новой технологии упаковки X-Cube3D… Конечно, как восходящая звезда в полупроводниковой отрасли, полупроводники третьего поколения и другие составные полупроводники также привлекают большое внимание и имеют множество достоинств. Пожалуйста, взгляните на замечательные фотографии бельгийской полупроводниковой компании Cissoid ниже!

    Эксклюзивное интервью для журнала "Compound Semiconductor" с доктором Ло Ниншэном, генеральным директором компании Cissoid China.          

Доктор Ло Ниншэн в настоящее время является генеральным директором бельгийской компании Cissoid в Китае. Ранее он работал в сфере управления рынком и бизнесом полупроводников в ряде европейских и американских компаний, занимающихся полупроводниковой промышленностью, в основном отвечая за рынки и бизнес в Китае и Азиатско-Тихоокеанском регионе. К этим компаниям относятся Synaptics (NASDAQ: SYNA) в США, Silicon Data в США, PicoChip в Великобритании и Innovative Micro Technology в США. Он получил докторскую степень в Шанхайском институте технической физики Китайской академии наук, а затем много лет провел в качестве приглашенного исследователя в Европе и США, занимаясь исследованиями в области физики материалов, включая исследования физики твердых тел в Институте гидродинамики им. Макса Планка в Гёттингене, Германия, и исследования полупроводниковых наноматериалов на кафедре физики Университета Луисвилла в США.

В: Приближается 2021 год. В преддверии нового года, как вы оцениваете развитие и изменения в индустрии полупроводниковых соединений, и каковы ваши выводы и предположения относительно 2020 года? О: Вслед за Tesla, в 2020 году, когда BYD возглавила официальный запуск электромобилей на базе SiC MOSFET в Китае, крупные производители электромобилей также стали уделять больше внимания применению SiC в электромобилях. Что касается бортовых зарядных устройств (OBC), преобразователей постоянного тока (DC-DC) и зарядных станций, обычно используются относительно недорогие SiC MOSFET, что позволяет повысить эффективность, уменьшить объем и вес при сохранении относительно низких затрат. Для приводов двигателей, чтобы добиться максимально возможной эффективности и минимальных тепловых потерь, как правило, используются высококачественные SiC MOSFET (то есть с относительно малым внутренним сопротивлением). Что касается электродвигателей, то в целом отрасль подтвердила, что замена традиционных IGBT на SiC MOSFET может повысить энергоэффективность всего автомобиля на 5-10%, что означает увеличение запаса хода на 5-10% при тех же условиях работы аккумуляторной батареи, что весьма привлекательно. 2021 год станет годом, когда применение SiC в области электромобилей начнет стремительно развиваться, о чем свидетельствует масштабный дефицит этого года. Кроме того, GaN также в последнее время получил очень хорошее развитие, и его основное применение – это быстрые зарядные устройства для мобильных устройств. Поскольку он используется в потребительской электронике, спрос на него будет очень высоким, поэтому поставки GaN вскоре превзойдут поставки SiC-устройств на порядки.

В: Быстрое развитие 5G, электромобилей, больших данных, искусственного интеллекта, интернета вещей и других технических областей откроет множество возможностей для полупроводниковых соединений. Какие проблемы и возможности, по вашему мнению, стоят перед полупроводниковыми соединениями? Полупроводники на основе соединений (SiC и GaN) — это новые полупроводниковые устройства, призванные заменить традиционные кремниевые устройства. Самая большая проблема — это контроль затрат, который включает в себя контроль выхода годной продукции и масштабов производства. Только за счет постоянного повышения выхода годной продукции и расширения масштабов производства можно постепенно снизить затраты, что обеспечит широкое применение на рынке. Проблемы также являются возможностями, и это также является ключевым фактором для различных производителей полупроводниковых соединений в завоевании доли рынка.

В: Карбид кремния (SiC) — материал с большими перспективами развития, особенно в области силовой электроники и микроволновых радиочастотных устройств. В настоящее время он привлекает к себе большое внимание. Как ваша компания оценивает развитие рынка карбида кремния? Как способствовать модернизации и развитию материалов на основе карбида кремния? О:

По мере того, как полупроводники третьего поколения, такие как силовые полупроводниковые приборы на основе карбида кремния (SiC), становятся более зрелыми и популярными, на начальном этапе они просто заменят кремниевые приборы в различных областях применения. Однако на более позднем этапе они будут активно использовать свои преимущества в производительности для создания множества новых приложений, то есть будут задействованы в областях, ранее недоступных для кремниевых приборов. Например, присущая SiC высокая термостойкость очень хорошо сочетается с высокотемпературными полупроводниковыми приборами на основе цисоидных структур, что значительно изменит подход к проектированию силовых систем и предоставит инженерам-конструкторам новые и широкие возможности для развития. К типичным будущим высокотемпературным приложениям с высокой удельной мощностью относятся глубоко интегрированные силовые установки электромобилей, многоцелевые и полностью электрические самолеты и даже электрические летательные аппараты, мобильные зарядные станции для хранения энергии и портативные зарядные устройства, а также различные силовые приложения, где жидкостное охлаждение имеет серьезные ограничения. 

Силовая установка электромобилей (двигатель, электронное управление и коробка передач) движется в направлении «три в одном», но в настоящее время она лишь структурно объединена, что является слабой интеграцией. С точки зрения конструкции, в будущем глубокая интеграция силовой установки станет неизбежным путем, поскольку это может уменьшить объем примерно на треть, вес примерно на треть и внутреннее потребление примерно на треть, а также снизить общую стоимость в 2-4 раза. Однако электронная часть управления будет тесно интегрирована с двигателем, и глубокая интеграция значительно повысит удельную мощность. Самой большой проблемой, которую нельзя избежать, является высокая температура.

В традиционных самолетах механическое управление хвостовым рулем, крыльями, шасси и т. д. основано на классической гидравлической трансмиссии. Гидравлическое масло, будучи жидкостью, сильно подвержено воздействию окружающей среды и имеет высокие затраты на техническое обслуживание. В настоящее время наблюдается тенденция к частичной или полной электрификации, что представляет собой концепцию многомоторных и полностью электрических самолетов. Использование электродвигателей вместо гидравлических контуров в самолете для обеспечения механического управления обладает высокой надежностью, простотой обслуживания и упрощает резервирование. Однако самая большая проблема заключается в том, что двигатели и электронные системы управления на самолете не могут быть оснащены водяным охлаждением и могут полагаться только на принудительное воздушное и естественное охлаждение. Поэтому для реализации электронной системы управления многомоторных, полностью электрических или даже электрических самолетов первоочередной технической проблемой является работа при высоких температурах. 

Кроме того, существует множество сценариев применения, особенно с учетом широкого распространения электромобилей, где полумобильные зарядные станции с накопителями энергии и полностью мобильные портативные зарядные устройства эффективно заполняют пробелы в стационарных зарядных устройствах в определенных ситуациях. Однако для таких мобильных зарядных устройств механизм водяного охлаждения не только создает дополнительную нагрузку в виде веса и объема, но, что более важно, потребляет накопленную электрическую энергию. Поэтому естественное охлаждение будет наилучшим способом для электронного управления, но при этом необходимо надлежащим образом решить проблему теплового регулирования системы электронного управления.

В дополнение к трем вышеупомянутым типичным областям применения при высоких температурах, во многих специальных промышленных приложениях, где возможности жидкостного охлаждения сильно ограничены, электронные системы управления сталкиваются с теми же проблемами, связанными с высокими температурами. Технология высокотемпературного электрического управления является ключом к реализации вышеупомянутых применений при высоких температурах. Ее основная технология реализации — это технология высокотемпературной упаковки силовых устройств на основе SiC и соответствующая технология высокотемпературных схем управления.

Материалы на основе карбида кремния (SiC) и их структуры обладают высокой термостойкостью и могут выдерживать температуру от 400 до 600 °C в вакууме. В практических приложениях, чтобы предотвратить окисление, вызванное воздействием воздуха, устройства на основе SiC должны быть упакованы, и если они должны выдерживать высокие температуры, необходимо использовать термостойкие корпуса. В настоящее время самым высоким стандартом в отрасли является температура перехода 150 °C. Уровень температуры перехода 175 °C только начинает определяться. Существуют квазистандартизированные корпуса, которые можно использовать. Корпуса с температурой 200 °C и выше предъявляют очень строгие требования к упаковочным материалам и процессам и должны быть адаптированы к характеристикам кристалла без упаковки для обеспечения требуемой теплопроводности и теплоотвода.

Применение силовых устройств и модулей на основе SiC неразрывно связано с драйверными схемами и соответствующими им микросхемами. Однако большинство микросхем драйверных схем представляют собой обычные кремниевые устройства и не выдерживают высоких температур. Если они и могут работать при высоких температурах, например, 175°C в течение 1,000 часов, то это уже редкость. Кроме того, высокая термостойкость — это лишь один аспект проблемы. Гораздо серьезнее стабильность работы устройств при высоких температурах. Производительность обычных кремниевых устройств очень быстро снижается при температуре выше 70°C, поэтому их нельзя использовать при высоких температурах. После более чем 20 лет инновационных исследований и разработок и испытаний на практике, специальные кремниевые устройства Cissoid на основе SOI достигли высокой термостойкости в 175°C и могут непрерывно работать в течение 15 лет. Их характеристики отличаются превосходной стабильностью во всем температурном диапазоне и являются основой для высокотемпературных применений SiC.

В: Пожалуйста, поделитесь своим мнением о том, как китайская полупроводниковая промышленность должна учиться на международном опыте и ускорять промышленное развитие. О: Хотя Китай поздно начал осваивать область полупроводниковых технологий и отстает от зарубежных стран, эта область очень подходит для достижения быстрого развития в Китае. Этому есть три основные причины. Во-первых, процессы производства полупроводниковых технологий в основном находятся на микронном уровне. От материалов до оборудования существует полный набор отечественных производственных цепочек, и они не будут сильно ограничены необходимостью импорта высокоточного наноразмерного оборудования (особенно фотолитографических машин). Во-вторых, структура устройств на основе полупроводниковых технологий относительно проста и не требует очень сложной поддержки EDA верхнего уровня. Это также устраняет серьезные ограничения, вызванные необходимостью импорта. В-третьих, Китай обладает огромным и обширным рынком применения. Поэтому можно заключить, что полупроводниковые технологии станут одним из важных прорывов для улучшения всей полупроводниковой промышленности Китая. В последние годы страна уделяет большое внимание полупроводниковой промышленности и вкладывает значительные средства. Были запущены, расширены или построены десятки заводов по производству кремниевых пластин. В последнее время некоторые представители отрасли призывают рассматривать обработку микроэлектронных систем как отдельную дисциплину. Это замечательное явление. Однако, если посмотреть на отечественные заводы по производству полупроводниковых пластин, то у всех у них новые фабрики и новое оборудование, а инвестиции очень велики. Больше всего не хватает квалифицированных специалистов в области разработки технологических процессов и системы накопления кадров в процессе технического обслуживания. Традиционные методы механической обработки, такие как токарные, фрезерные станки и сварка, имеют многоуровневую систему подготовки кадров, включающую льготы и субсидии для содействия и поддержания развития профессии. Такая важная отрасль обработки микроэлектронных систем должна иметь более комплексную систему подготовки кадров.