5 Xu Hướng trong Linh Kiện Bán Dẫn Rời: Cái Mới và Tương Lai

Bán dẫn là những anh hùng không được ca ngợi của thế giới công nghệ. Chúng hoạt động âm thầm trong mọi thứ từ đồ chơi và điện thoại thông minh đến ô tô và bộ điều chỉnh nhiệt. Chúng còn là chìa khóa cho những công nghệ đột phá như trí tuệ nhân tạo và học máy.

Nhưng không phải tất cả bán dẫn đều được tạo ra như nhau. Một số là rời rạc, nghĩa là chúng là thiết bị đơn lẻ thực hiện các chức năng điện tử cơ bản. Số khác là tích hợp, nghĩa là chúng bao gồm nhiều thiết bị trên một chip duy nhất thực hiện các chức năng phức tạp.

Các chức năng cơ bản mà bán dẫn rời rạc thực hiện bao gồm chỉnh lưu (diode), khuếch đại (transistor) và chuyển mạch (transistor và thyristor). Bán dẫn rời rạc thường có hai hoặc ba cực. Chúng có vẻ đơn giản, nhưng là yếu tố thiết yếu cho nhiều ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, tiêu thụ điện năng thấp và chức năng lớn hơn. Chúng cũng cung cấp nhiều tính linh hoạt và tùy chỉnh hơn so với mạch tích hợp (IC).

Thị trường bán dẫn rời rạc đang bùng nổ. Dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng hàng năm hợp nhất (CAGR) là 6.3% từ năm 2021 đến 2027, đạt 37 tỷ USD vào năm 2027. Sự tăng trưởng của thị trường được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng đối với bán dẫn rời rạc trong các ứng dụng công nghiệp, điện tử tiêu dùng, IT và viễn thông, ô tô và các ứng dụng khác.

Xu hướng định hình tương lai của bán dẫn rời rạc Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá năm xu hướng hàng đầu đang định hình tương lai của bán dẫn rời rạc, và cách kỹ sư điện tử có thể tận dụng chúng trong thiết kế của mình. Những xu hướng này bao gồm trí tuệ nhân tạo (AI), vật liệu tiên tiến, bao bì tiên tiến, kiến trúc mới và Internet vạn vật (IoT). Hãy cùng tìm hiểu!

Trí Tuệ Nhân Tạo

AI đòi hỏi bán dẫn rời rạc thông minh, hiệu quả cao và có khả năng xử lý lượng dữ liệu và tính toán khổng lồ. Bán dẫn rời rạc đạt được điều này bằng cách sử dụng vật liệu và kiến trúc tiên tiến giúp tăng tốc độ, giảm tiêu thụ điện năng và tăng cường chức năng.

Ví dụ, cảm biến thông minh có thể xử lý dữ liệu tại chỗ sử dụng thuật toán AI và giao tiếp với các thiết bị khác hoặc với đám mây, trong khi các thiết bị tính toán biên có thể thực hiện các nhiệm vụ AI tại biên của mạng mà không cần dựa vào đám mây.

Vật liệu tiên tiến

Vật liệu tiên tiến - bao gồm nitrua gallium (GaN), cacbua silicon (SiC) và điện tử hữu cơ - có các tính chất và hiệu suất vượt trội so với các vật liệu thông thường (cụ thể là silicon, germanium và arsenide gallium). Vật liệu tiên tiến có thể nâng cao hiệu suất và chức năng của các bán dẫn rời rạc bằng cách cải thiện hiệu quả, độ tin cậy, tốc độ và mật độ công suất.

Ví dụ, các linh kiện làm từ GaN và SiC có thể chịu được điện áp, nhiệt độ và tần số cao hơn so với silicon. Chúng giảm kích thước, trọng lượng và chi phí của bộ chuyển đổi công suất cho các ứng dụng như xe điện, năng lượng tái tạo và trung tâm dữ liệu.

Điện tử hữu cơ có thể tạo ra các thiết bị quang điện tử linh hoạt, nhẹ và giá rẻ như điốt phát sáng hữu cơ (OLEDs), tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ và laser hữu cơ. Chúng mang lại các lợi ích như chất lượng màu sắc tốt hơn, góc nhìn rộng hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các thiết bị quang điện tử thông thường.

Kiến trúc mới lạ

Kiến trúc mới lạ là những cách mới trong thiết kế và tích hợp các bán dẫn rời rạc mang lại chức năng và hiệu suất cao hơn so với kiến trúc truyền thống. Những kiến trúc này bao gồm tích hợp ba chiều (3D), chiplets và mạch tích hợp vi sóng đơn khối (MMICs). Những kiến trúc này có thể giảm chi phí, kích thước và độ phức tạp của các bán dẫn rời rạc cho các ứng dụng khác nhau.

Tích hợp 3D là kỹ thuật xếp chồng nhiều chip theo chiều dọc sử dụng qua vias silicon (TSVs) hoặc các kết nối khác. Kỹ thuật này có thể tăng mật độ, tốc độ và chức năng của các bán dẫn rời rạc cho các ứng dụng tính toán hiệu suất cao (HPC) như trí tuệ nhân tạo và học máy.

Chiplets là những chip nhỏ có thể được kết hợp trên một nền hoặc một trung gian để tạo thành một chip lớn hơn. Kỹ thuật này cho phép thiết kế mô-đun và tùy chỉnh các bán dẫn rời rạc cho các ứng dụng 5G/6G. Chiplets có thể tích hợp các chức năng RF khác nhau (như bộ khuếch đại, bộ lọc, công tắc và ăng-ten) cũng như các chức năng số khác nhau (như bộ xử lý, bộ nhớ và giao diện) trên một chiplet duy nhất.

MMICs là các mạch tích hợp hoạt động ở tần số vi sóng. Chúng được chế tạo bằng cách sử dụng các vật liệu bán dẫn hợp chất như arsênic gallium hoặc nitrua gallium. Chúng cung cấp hiệu suất và độ tin cậy cao hơn cho các ứng dụng hàng không vũ trụ như radar, định vị, giao tiếp và chiến tranh điện tử.

Khám phá hơn 250,000 bán dẫn rời rạc trên Octopart.com

Bao bì Tiên tiến

Bao bì tiên tiến bao gồm việc sử dụng các phương pháp và vật liệu mới để đóng gói và kết nối các bán dẫn rời rạc. Các phương pháp này bao gồm bao bì cấp wafer dạng phân tán (FOWLP), mảng bóng lưới cấp wafer nhúng (eWLB) và qua vi mạch silicon (TSV). Những kỹ thuật này có thể tạo điều kiện cho các bán dẫn rời rạc hiệu quả và đáng tin cậy hơn có thể vượt qua các hạn chế của các phương pháp bao bì truyền thống.

FOWLP nhúng các bán dẫn rời rạc vào một hợp chất khuôn và kết nối chúng với một lớp phân phối lại (RDL) ở cấp wafer. Kỹ thuật này cho phép các bán dẫn rời rạc nhỏ gọn và tích hợp hơn cho các ứng dụng ô tô như hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS), giải trí và hệ thống truyền động.

eWLB nhúng các bán dẫn rời rạc vào một wafer được cấu hình lại và kết nối chúng với một RDL ở cấp wafer. Kỹ thuật này cải thiện quản lý nhiệt, hiệu suất điện và độ bền cơ học bằng cách cung cấp khả năng tản nhiệt tốt hơn, giảm thiểu các thành phần thụ động và tăng độ tin cậy. eWLB cho phép các bán dẫn rời rạc linh hoạt và bền vững hơn cho các ứng dụng y tế như thiết bị cấy ghép, cảm biến sinh học và thiết bị đeo được.

TSV là một kỹ thuật tạo ra các kết nối điện dọc qua một wafer silicon hoặc die. Bằng cách cho phép xếp chồng 3D của chip bộ nhớ và logic, TSV có thể tăng băng thông và tốc độ của các bán dẫn rời rạc. Điều này cho phép các bán dẫn rời rạc dày đặc, hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng công nghiệp như robot, tự động hóa và thị giác máy.

Internet vạn vật

Các linh kiện rời rạc được sử dụng cho IoT cần phải nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và có khả năng giao tiếp với các công nghệ và giao thức khác nhau, đặt ra những thách thức độc đáo. Các bán dẫn rời rạc đáp ứng những thách thức này với hiệu suất cao, chi phí thấp, các thành phần đáng tin cậy và đa dạng về chức năng. Ví dụ, diode cung cấp bảo vệ chống lại sự tăng vọt và biến thiên điện áp, transistor hoạt động như công tắc và bộ khuếch đại để kiểm soát và điều chỉnh công suất, thyristor cung cấp bảo vệ quá dòng, và LED cung cấp phản hồi hình ảnh.

Luôn đi trước thời đại

Bằng cách cung cấp nhiều tính linh hoạt và tùy chỉnh hơn so với mạch tích hợp, bán dẫn rời rạc đang tạo điều kiện cho các công nghệ đột phá. Để luôn đi trước thời đại, các kỹ sư và nhà thiết kế điện tử cần phải cập nhật những phát triển và đổi mới mới nhất trong thiết kế và sản xuất bán dẫn rời rạc. Họ cũng cần phải tận dụng lợi thế của các vật liệu mới, kiến trúc và kỹ thuật đóng gói để tối ưu hóa giải pháp bán dẫn rời rạc của mình cho các trường hợp sử dụng và thị trường khác nhau.