Polovodiče sú nepochybne hrdinami dnešného sveta moderných technológií. Pracujú skryto v úzadí všetkého od hračiek a smartfónov až po autá či raketoplány. Umožňujú vytvárať nové a prelomové technológie, ako je umelá inteligencia alebo strojové učenie.

Nie všetky polovodiče sú však rovnaké. Niektoré sú diskrétne, čo znamená, že sú to jednotlivé zariadenia, ktoré vykonávajú základné elektronické funkcie. Iné sú integrované, čo znamená, že pozostávajú z mnohých zariadení na jednom čipe, ktoré vykonávajú komplexné funkcie.

Medzi základné funkcie, ktoré vykonávajú diskrétne polovodiče, patrí usmerňovanie (diódy), zosilňovanie (tranzistory) a spínanie (tranzistory a tyristory). Diskrétne prvky majú zvyčajne dva alebo tri vývody. Môžu sa zdať jednoduché, ale sú nevyhnutné pre mnohé aplikácie, ktoré vyžadujú vysoký výkon, nízku spotrebu energie a väčšiu funkčnosť. Ponúkajú tiež väčšiu flexibilitu a prispôsobiteľnosť ako integrované obvody (IC).

Trh s diskrétnymi polovodičmi je na vzostupe. Očakáva sa, že v rokoch 2021 až 2027 porastie zloženou ročnou mierou rastu (CAGR) 6,3 % a do roku 2027 dosiahne 37 miliárd USD. Rast trhu je spôsobený rastúcim dopytom po diskrétnych polovodičoch v priemysle, spotrebnej elektronike, IT a telekomunikáciách, automobilovom priemysle a iných aplikáciách.

Trendy, ktoré formujú budúcnosť diskrétnych polovodičov V tomto článku sa budeme venovať piatim hlavným trendom, ktoré formujú budúcnosť diskrétnych polovodičov, a tomu, ako ich môžu inžinieri elektroniky využiť vo svojich návrhoch. Týmito trendmi sú umelá inteligencia (AI), pokročilé materiály, pokročilé balenie, nové architektúry a internet vecí (IoT). Poďme sa do toho ponoriť!

Umelá inteligencia

Umelá inteligencia si vyžaduje diskrétne polovodiče, ktoré sú inteligentné, veľmi efektívne a schopné spracovať obrovské množstvo údajov a výpočtov. Diskrétne polovodiče to dosahujú použitím pokročilých materiálov a architektúr, ktoré umožňujú vyššiu rýchlosť, nižšiu spotrebu energie a väčšiu funkčnosť.

Napríklad inteligentné snímače môžu lokálne spracúvať údaje pomocou algoritmov AI a komunikovať s inými zariadeniami alebo s cloudom, zatiaľ čo okrajové výpočtové zariadenia môžu vykonávať úlohy AI na okraji siete bez toho, aby sa spoliehali na cloud.

Pokročilé materiály

Pokročilé materiály - vrátane nitridu gália (GaN), karbidu kremíka (SiC) a organickej elektroniky - majú v porovnaní s konvenčnými materiálmi (konkrétne kremíkom, germániom a arzenidom gália) lepšie vlastnosti a výkon. Pokročilé materiály môžu zvýšiť výkon a funkčnosť diskrétnych polovodičov zlepšením účinnosti, spoľahlivosti, rýchlosti a hustoty výkonu.

Napríklad súčiastky vyrobené z GaN a SiC vydržia vyššie napätia, teploty a frekvencie ako kremík. Znižujú veľkosť, hmotnosť a náklady na meniče výkonu pre aplikácie, ako sú elektrické vozidlá, obnoviteľné zdroje energie a dátové centrá.

Organická elektronika môže umožniť flexibilné, ľahké a lacné optoelektronické zariadenia, ako sú organické svetelné diódy (OLED), organické solárne články a organické lasery. V porovnaní s konvenčnými optoelektronickými zariadeniami ponúkajú výhody, ako je lepšia kvalita farieb, širšie pozorovacie uhly a nižšia spotreba energie.

Nové architektúry

Nové architektúry sú nové spôsoby navrhovania a integrácie diskrétnych polovodičov, ktoré ponúkajú vyššiu funkčnosť a výkon ako tradičné architektúry. Tieto architektúry zahŕňajú trojrozmernú (3D) integráciu, čipy a monolitické mikrovlnné integrované obvody (MMIC). Tieto architektúry môžu znížiť náklady, veľkosť a zložitosť diskrétnych polovodičov pre rôzne aplikácie.

3D integrácia je technika, pri ktorej sa vertikálne ukladá viacero čipov pomocou priechodiek cez kremík (TSV) alebo iných prepojení. Táto technika môže zvýšiť hustotu, rýchlosť a funkčnosť diskrétnych polovodičov pre vysoko výkonné výpočtové aplikácie (HPC), ako je umelá inteligencia a strojové učenie.

Čiplety sú malé čipy, ktoré sa dajú spojiť na substráte alebo na medzipodložke a vytvoriť väčší čip. Táto technika umožňuje modulárny dizajn a prispôsobenie diskrétnych polovodičov pre aplikácie 5G/6G. Čiplety môžu integrovať rôzne rádiové funkcie (ako sú zosilňovače, filtre, prepínače a antény), ako aj rôzne digitálne funkcie (ako sú procesory, pamäť a rozhrania) na jednom čiplete.

MMIC sú integrované obvody, ktoré pracujú na mikrovlnných frekvenciách. Vyrábajú sa s použitím zložených polovodičových materiálov, ako je arzenid gália alebo nitrid gália. Ponúkajú vyšší výkon a spoľahlivosť pre aplikácie v letectve a kozmonautike, ako sú radary, navigácia, komunikácia a elektronický boj.

Pokročilé púzdra

Pokročilé púzdra zahŕňajú používanie nových metód a materiálov na zapuzdrenie a prepojenie diskrétnych polovodičov. Medzi tieto metódy patrí fan-out wafer-level packaging (FOWLP), embedded wafer-level ball grid array (eWLB) a through-silicon via (TSV). Tieto techniky môžu umožniť efektívnejšie a spoľahlivejšie diskrétne polovodiče, ktoré môžu prekonať obmedzenia tradičných metód zapúzdrenia.

FOWLP vkladá diskrétne polovodiče do zmesi formy a spája ich s redistribučnou vrstvou (RDL) na úrovni doštičky. Táto technika umožňuje kompaktnejšie a integrovanejšie diskrétne polovodiče pre automobilové aplikácie, ako sú pokročilé asistenčné systémy vodiča (ADAS), infotainment a pohonné jednotky.

Technológia eWLB vkladá diskrétne polovodiče do rekonfigurovanej doštičky a pripája ich k RDL na úrovni doštičky. Táto technika zlepšuje tepelný manažment, elektrický výkon a mechanickú odolnosť tým, že poskytuje lepší odvod tepla, nižšie parazity a vyššiu spoľahlivosť. eWLB umožňuje flexibilnejšie a odolnejšie diskrétne polovodiče pre lekárske aplikácie, ako sú implantovateľné zariadenia, biosenzory a nositeľné zariadenia.

TSV je technika, ktorá vytvára vertikálne elektrické spojenia cez kremíkovú doštičku alebo die. Tým, že TSV umožňuje 3D stohovanie pamäťových a logických čipov, môže zvýšiť šírku pásma a rýchlosť diskrétnych polovodičov. To umožňuje hustejšie a výkonnejšie diskrétne polovodiče pre priemyselné aplikácie, ako je robotika, automatizácia a strojové videnie.

Internet vecí

Diskrétne komponenty používané pre internet vecí musia byť malé, s nízkou spotrebou energie a schopné komunikovať s rôznymi technológiami a protokolmi, čo predstavuje jedinečné výzvy. Diskrétne polovodiče spĺňajú tieto výzvy vďaka vysokému výkonu, nízkym nákladom a vysokej spoľahlivosti komponentov s rôznorodou funkcionalitou. Napríklad diódy poskytujú ochranu proti napäťovým špičkám a prechodným javom, tranzistory fungujú ako spínače a zosilňovače na riadenie a reguláciu výkonu, tyristorové diódy poskytujú ochranu proti nadprúdu a LED diódy poskytujú vizuálnu spätnú väzbu.

Zostaňte vpredu

Diskrétne polovodiče ponúkajú väčšiu flexibilitu a prispôsobiteľnosť ako integrované obvody a umožňujú tak vznik prelomových technológií. Aby si inžinieri a konštruktéri elektroniky udržali náskok, musia sledovať najnovší vývoj a inovácie v oblasti návrhu a výroby diskrétnych polovodičov. Musia tiež využívať výhody nových materiálov, architektúr a baliacich techník na optimalizáciu svojich diskrétnych polovodičových riešení pre rôzne prípady použitia a trhy.