5 Tendenze nei Semiconduttori Discreti: Novità e Prossimi Sviluppi

I semiconduttori sono gli eroi non celebrati del mondo della tecnologia. Lavorano dietro le quinte in tutto, dai giocattoli e smartphone fino alle automobili e ai termostati. Abilitano anche tecnologie rivoluzionarie come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico.

Ma non tutti i semiconduttori sono creati uguali. Alcuni sono discreti, il che significa che sono dispositivi singoli che eseguono funzioni elettroniche di base. Altri sono integrati, il che significa che consistono di molti dispositivi su un singolo chip che eseguono funzioni complesse.

Le funzioni di base che i semiconduttori discreti eseguono includono la rettificazione (diodi), l'amplificazione (transistor) e l'interruzione (transistor e tiristori). I dispositivi discreti hanno tipicamente due o tre terminali. Possono sembrare semplici, ma sono essenziali per molte applicazioni che richiedono alte prestazioni, basso consumo di energia e maggiore funzionalità. Offrono anche più flessibilità e personalizzazione rispetto ai circuiti integrati (IC).

Il mercato dei semiconduttori discreti è in forte espansione. Si prevede che crescerà con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 6,3% dal 2021 al 2027, raggiungendo i 37 miliardi di dollari entro il 2027. La crescita del mercato è guidata dalla crescente domanda di semiconduttori discreti in applicazioni industriali, elettronica di consumo, IT e telecomunicazioni, automobilistico e altre applicazioni.

Tendenze che modellano il futuro dei semiconduttori discreti In questo articolo esploreremo cinque principali tendenze che stanno modellando il futuro dei semiconduttori discreti e come gli ingegneri elettronici possono sfruttarle nei loro progetti. Queste tendenze sono l'intelligenza artificiale (AI), materiali avanzati, packaging avanzato, architetture innovative e l'Internet delle Cose (IoT). Andiamo a scoprirle!

Intelligenza Artificiale

L'AI richiede semiconduttori discreti che siano intelligenti, molto efficienti e capaci di gestire enormi quantità di dati e calcoli. I semiconduttori discreti raggiungono questo obiettivo utilizzando materiali avanzati e architetture che consentono velocità più elevate, minor consumo di energia e maggiore funzionalità.

Ad esempio, i sensori intelligenti possono elaborare dati localmente utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale e comunicare con altri dispositivi o con il cloud, mentre i dispositivi di edge computing possono eseguire compiti di IA ai margini della rete senza fare affidamento sul cloud.

Materiali Avanzati

I materiali avanzati – inclusi il nitruro di gallio (GaN), il carburo di silicio (SiC) e l'elettronica organica – hanno proprietà e prestazioni superiori rispetto ai materiali convenzionali (ovvero, silicio, germanio e arseniuro di gallio). I materiali avanzati possono migliorare le prestazioni e la funzionalità dei semiconduttori discreti aumentando efficienza, affidabilità, velocità e densità di potenza.

Ad esempio, i componenti realizzati in GaN e SiC possono sopportare tensioni, temperature e frequenze più elevate rispetto al silicio. Riducono le dimensioni, il peso e il costo dei convertitori di potenza per applicazioni come veicoli elettrici, energia rinnovabile e data center.

L'elettronica organica può abilitare dispositivi optoelettronici flessibili, leggeri e a basso costo come i diodi organici a emissione di luce (OLED), le celle solari organiche e i laser organici. Offrono vantaggi come una migliore qualità del colore, angoli di visione più ampi e un consumo energetico inferiore rispetto ai dispositivi optoelettronici convenzionali.

Architetture Innovative

Le architetture innovative sono nuovi modi di progettare e integrare semiconduttori discreti che offrono funzionalità e prestazioni superiori rispetto alle architetture tradizionali. Queste architetture includono l'integrazione tridimensionale (3D), i chiplet e i circuiti integrati monolitici a microonde (MMICs). Queste architetture possono ridurre il costo, le dimensioni e la complessità dei semiconduttori discreti per varie applicazioni.

L'integrazione 3D è una tecnica che impila più chip verticalmente utilizzando vie attraverso il silicio (TSVs) o altri interconnettori. Questa tecnica può aumentare la densità, la velocità e la funzionalità dei semiconduttori discreti per applicazioni di computing ad alte prestazioni (HPC) come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico.

I chiplet sono piccoli chip che possono essere combinati su un substrato o un interposer per formare un chip più grande. Questa tecnica consente la progettazione modulare e la personalizzazione dei semiconduttori discreti per applicazioni 5G/6G. I chiplet possono integrare diverse funzioni RF (come amplificatori, filtri, interruttori e antenne) così come diverse funzioni digitali (come processori, memoria e interfacce) su un singolo chiplet.

I MMIC sono circuiti integrati che operano a frequenze microwave. Sono fabbricati utilizzando materiali semiconduttori composti come l'arseniuro di gallio o il nitruro di gallio. Offrono prestazioni e affidabilità superiori per applicazioni aerospaziali quali radar, navigazione, comunicazione e guerra elettronica.

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Imballaggio Avanzato

L'imballaggio avanzato implica l'uso di metodi e materiali innovativi per incapsulare e interconnettere semiconduttori discreti. Questi metodi includono il fan-out wafer-level packaging (FOWLP), l'embedded wafer-level ball grid array (eWLB) e il through-silicon via (TSV). Queste tecniche possono facilitare semiconduttori discreti più efficienti e affidabili che possono superare i limiti dei metodi di imballaggio tradizionali.

Il FOWLP incorpora semiconduttori discreti in un composto di stampo e li collega a un livello di ridistribuzione (RDL) a livello di wafer. Questa tecnica consente semiconduttori discreti più compatti e integrati per applicazioni automobilistiche come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), l'infotainment e il powertrain.

L'eWLB incorpora semiconduttori discreti in un wafer riconfigurato e li collega a un RDL a livello di wafer. Questa tecnica migliora la gestione termica, le prestazioni elettriche e la robustezza meccanica fornendo una migliore dissipazione del calore, minori parassitismi e maggiore affidabilità. L'eWLB consente semiconduttori discreti più flessibili e robusti per applicazioni mediche come dispositivi impiantabili, biosensori e dispositivi indossabili.

Il TSV è una tecnica che crea connessioni elettriche verticali attraverso un wafer o die di silicio. Consentendo l'impilamento 3D di chip di memoria e logica, il TSV può aumentare la larghezza di banda e la velocità dei semiconduttori discreti. Questo consente semiconduttori discreti più densi e ad alte prestazioni per applicazioni industriali come robotica, automazione e visione artificiale.

L'Internet delle Cose

I componenti discreti utilizzati per l'IoT devono essere piccoli, a basso consumo e capaci di comunicare con diverse tecnologie e protocolli, presentando sfide uniche. I semiconduttori discreti rispondono a queste sfide con componenti ad alte prestazioni, a basso costo, altamente affidabili e con funzionalità diverse. Ad esempio, i diodi forniscono protezione contro picchi di tensione e transitori, i transistor agiscono come interruttori e amplificatori per controllare e regolare la potenza, i tiristori forniscono protezione da sovracorrente, e i LED forniscono feedback visivo.

Rimanere all'avanguardia

Offrendo più flessibilità e personalizzazione rispetto ai circuiti integrati, i semiconduttori discreti stanno abilitando tecnologie rivoluzionarie. Per rimanere all'avanguardia, gli ingegneri elettronici e i progettisti devono tenersi aggiornati sugli ultimi sviluppi e innovazioni nel design e nella produzione di semiconduttori discreti. Devono anche sfruttare i vantaggi di nuovi materiali, architetture e tecniche di confezionamento per ottimizzare le loro soluzioni a semiconduttori discreti per diversi casi d'uso e mercati.