5 Tendências em Semicondutores Discretos: O Que Há de Novo e O Que Vem a Seguir

Os semicondutores são os heróis não celebrados do mundo da tecnologia. Eles trabalham nos bastidores em tudo, desde brinquedos e smartphones até carros e termostatos. Eles também possibilitam tecnologias revolucionárias como a inteligência artificial e a aprendizagem de máquina.

Mas nem todos os semicondutores são criados iguais. Alguns são discretos, o que significa que são dispositivos únicos que realizam funções eletrônicas básicas. Outros são integrados, significando que consistem em muitos dispositivos em um único chip que realizam funções complexas.

As funções básicas que os semicondutores discretos realizam incluem retificação (diodos), amplificação (transistores) e comutação (transistores e tiristores). Os discretos normalmente têm dois ou três terminais. Eles podem parecer simples, mas são essenciais para muitas aplicações que exigem alto desempenho, baixo consumo de energia e maior funcionalidade. Eles também oferecem mais flexibilidade e personalização do que os circuitos integrados (CIs).

O mercado de semicondutores discretos está em expansão. Espera-se que cresça a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 6,3% de 2021 a 2027, alcançando US$ 37 bilhões até 2027. O crescimento do mercado é impulsionado pela demanda crescente por semicondutores discretos em aplicações industriais, eletrônicos de consumo, TI e telecomunicações, automotivas e outras.

Tendências que moldam o futuro dos semicondutores discretos Neste artigo, exploraremos cinco principais tendências que estão moldando o futuro dos semicondutores discretos e como os engenheiros eletrônicos podem aproveitá-las em seus projetos. Essas tendências são inteligência artificial (IA), materiais avançados, embalagens avançadas, arquiteturas inovadoras e a Internet das Coisas (IoT). Vamos mergulhar!

Inteligência Artificial

A IA requer semicondutores discretos que sejam inteligentes, muito eficientes e capazes de lidar com enormes quantidades de dados e computação. Os semicondutores discretos alcançam isso usando materiais avançados e arquiteturas que possibilitam maiores velocidades, menor consumo de energia e maior funcionalidade.

Por exemplo, sensores inteligentes podem processar dados localmente usando algoritmos de IA e se comunicar com outros dispositivos ou com a nuvem, enquanto dispositivos de computação de borda podem realizar tarefas de IA na extremidade da rede sem depender da nuvem.

Materiais Avançados

Materiais avançados – incluindo nitreto de gálio (GaN), carbeto de silício (SiC) e eletrônicos orgânicos – possuem propriedades e desempenho superiores em comparação com materiais convencionais (ou seja, silício, germânio e arsenieto de gálio). Materiais avançados podem melhorar o desempenho e a funcionalidade de semicondutores discretos ao aumentar a eficiência, confiabilidade, velocidade e densidade de potência.

Por exemplo, componentes feitos de GaN e SiC podem suportar tensões, temperaturas e frequências mais altas do que o silício. Eles reduzem o tamanho, peso e custo de conversores de potência para aplicações como veículos elétricos, energia renovável e centros de dados.

Eletrônicos orgânicos podem possibilitar dispositivos optoeletrônicos flexíveis, leves e de baixo custo, como diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs), células solares orgânicas e lasers orgânicos. Eles oferecem vantagens como melhor qualidade de cor, ângulos de visualização mais amplos e menor consumo de energia em comparação com dispositivos optoeletrônicos convencionais.

Arquiteturas Inovadoras

Arquiteturas inovadoras são novas maneiras de projetar e integrar semicondutores discretos que oferecem maior funcionalidade e desempenho do que as arquiteturas tradicionais. Essas arquiteturas incluem integração tridimensional (3D), chiplets e circuitos integrados monolíticos de micro-ondas (MMICs). Essas arquiteturas podem reduzir o custo, tamanho e complexidade de semicondutores discretos para várias aplicações.

A integração 3D é uma técnica que empilha vários chips verticalmente usando vias através de silício (TSVs) ou outras interconexões. Esta técnica pode aumentar a densidade, velocidade e funcionalidade de semicondutores discretos para aplicações de computação de alto desempenho (HPC) como inteligência artificial e aprendizado de máquina.

Chiplets são pequenos chips que podem ser combinados em um substrato ou um interposer para formar um chip maior. Esta técnica permite o design modular e a personalização de semicondutores discretos para aplicações 5G/6G. Chiplets podem integrar diferentes funções de RF (como amplificadores, filtros, switches e antenas) bem como diferentes funções digitais (como processadores, memória e interfaces) em um único chiplet.

MMICs são circuitos integrados que operam em frequências de micro-ondas. Eles são fabricados usando materiais semicondutores compostos como arsenieto de gálio ou nitreto de gálio. Oferecem maior desempenho e confiabilidade para aplicações aeroespaciais, como radar, navegação, comunicação e guerra eletrônica.

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Embalagem Avançada

A embalagem avançada envolve o uso de métodos e materiais inovadores para encapsular e interconectar semicondutores discretos. Esses métodos incluem empacotamento em nível de wafer com fan-out (FOWLP), matriz de esferas em nível de wafer embutida (eWLB) e via através do silício (TSV). Essas técnicas podem facilitar semicondutores discretos mais eficientes e confiáveis que podem superar as limitações dos métodos de embalagem tradicionais.

FOWLP incorpora semicondutores discretos em um composto de moldagem e os conecta a uma camada de redistribuição (RDL) em nível de wafer. Esta técnica permite semicondutores discretos mais compactos e integrados para aplicações automotivas, como sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), entretenimento e trem de força.

eWLB incorpora semicondutores discretos em um wafer reconfigurado e os conecta a um RDL em nível de wafer. Esta técnica melhora o gerenciamento térmico, desempenho elétrico e robustez mecânica, proporcionando melhor dissipação de calor, menores parasitas e maior confiabilidade. eWLB permite semicondutores discretos mais flexíveis e robustos para aplicações médicas, como dispositivos implantáveis, biossensores e dispositivos vestíveis.

TSV é uma técnica que cria conexões elétricas verticais através de um wafer ou die de silício. Ao possibilitar o empilhamento 3D de chips de memória e lógica, TSV pode aumentar a largura de banda e a velocidade dos semicondutores discretos. Isso permite semicondutores discretos mais densos e de maior desempenho para aplicações industriais, como robótica, automação e visão de máquina.

A Internet das Coisas

Os componentes discretos usados para IoT precisam ser pequenos, de baixo consumo e capazes de se comunicar com diferentes tecnologias e protocolos, apresentando desafios únicos. Semicondutores discretos atendem a esses desafios com alto desempenho, baixo custo, componentes altamente confiáveis com funcionalidades diversas. Por exemplo, diodos oferecem proteção contra picos de tensão e transientes, transistores atuam como interruptores e amplificadores para controle e regulação de potência, tiristores oferecem proteção contra sobrecorrente, e LEDs fornecem feedback visual.

Mantenha-se à frente da curva

Ao oferecer mais flexibilidade e personalização do que circuitos integrados, semicondutores discretos estão possibilitando tecnologias inovadoras. Para se manter à frente da curva, engenheiros e projetistas eletrônicos precisam estar atualizados com os últimos desenvolvimentos e inovações em design e fabricação de semicondutores discretos. Eles também precisam aproveitar as vantagens de novos materiais, arquiteturas e técnicas de encapsulamento para otimizar suas soluções de semicondutores discretos para diferentes casos de uso e mercados.