Os roadmaps de chips costumam ser discutidos em termos de design e litografia. Cada vez mais, o que move a data é se um material pode ser feito puro o bastante, uniforme o bastante e em volume suficiente.
A restrição migrou para os materiais
Por muito tempo, o avanço veio de tornar os componentes menores com essencialmente o mesmo conjunto de materiais. Conforme isso ficou mais difícil, os avanços passaram a depender mais de introduzir novos materiais na pilha e integrá-los sem quebrar mais nada.
Novos dielétricos de porta, novos metais e barreiras de interconexão, novos materiais de canal, novos substratos de encapsulamento. Cada um é um problema de qualificação de material que leva anos.
Um novo nó não espera um circuito ser projetado. Ele espera alguém provar que um material pode ser depositado de forma uniforme em todo o wafer, em cada wafer, durante anos.
Isso se conecta diretamente ao cenário de força de trabalho em semicondutores. A Semiconductor Industry Association e a Oxford Economics projetaram cerca de 115 mil novas vagas em semicondutores nos EUA até 2030, com em torno de 67 mil em risco de ficar sem preenchimento nas taxas atuais de formação em cursos superiores. As funções de materiais estão dentro desse número, e estão entre as partes menos visíveis dele.
O que a trilha cobre
O escopo: silício, semicondutores compostos e dielétricos, os materiais de que os chips são feitos.
Quatro áreas.
Silício e crescimento de cristais. Como cristais únicos são crescidos, como os wafers são produzidos, e o que os defeitos significam para o rendimento dos dispositivos.
Semicondutores compostos. Nitreto de gálio, carbeto de silício, arsenieto de gálio e materiais relacionados para aplicações de potência, radiofrequência e optoeletrônica.
Dielétricos, metais e filmes finos. As camadas isolantes e condutoras, como são depositadas, e como se comportam em espessuras de poucos átomos.
Materiais de encapsulamento. Substratos, underfills, materiais de interface térmica e encapsulantes, uma área de importância crescente conforme o encapsulamento avançado vira uma alavanca de desempenho.
Pureza em uma escala difícil de visualizar
A exigência que distingue este campo de qualquer outra disciplina de materiais.
Materiais para semicondutores são especificados em níveis de pureza em que a contaminação é medida em partes por bilhão ou menos, e onde uma única partícula no lugar errado arruína um die.
Quatro consequências práticas para a força de trabalho.
Controle de contaminação é uma disciplina, não uma regra. Tudo que toca o material é uma fonte potencial: o recipiente, a linha de gás, a luva, a pessoa. Quem internalizou isso se comporta de forma diferente de quem só ouviu falar.
A metrologia precisa detectar o que você não consegue ver. Medir contaminação em partes por bilhão e espessura de camada em escala atômica exige técnicas especializadas e gente que entenda seus limites.
A uniformidade importa tanto quanto a pureza. Um filme precisa ter a mesma espessura em todo um wafer de 300 milímetros e ser idêntico no wafer seguinte. Controle de processo nesse nível é o trabalho de verdade.
A qualificação da cadeia de suprimentos é lenta. Trocar de fornecedor de produto químico exige uma qualificação extensa, e é por isso que a base de fornecedores é estreita e as interrupções se propagam.
Interfaces: onde os dispositivos realmente falham
Um dispositivo é uma pilha de camadas finas, e a maioria dos problemas mora onde duas camadas se encontram, não dentro de nenhuma delas.
Interdifusão. Os átomos migram através das interfaces, especialmente com temperatura, mudando o comportamento elétrico ao longo do tempo.
Estados de interface. Uma ligação imperfeita em uma interface cria armadilhas elétricas que degradam desempenho e confiabilidade. Um problema central em dispositivos de banda larga.
Adesão e tensão. Camadas com expansão térmica diferente acumulam tensão durante o processamento e a ciclagem térmica, causando delaminação ou trincas.
Eletromigração. O fluxo de corrente move fisicamente átomos de metal ao longo do tempo, causando eventualmente circuitos abertos. Um limite de confiabilidade conhecido há muito tempo em interconexões.
Então a capacidade que importa é o entendimento de filmes finos e interfaces, e é um conjunto de habilidades diferente do design de dispositivos.
Onde isso se encaixa no domínio
Materiais eletrônicos e semicondutores é a oitava de onze trilhas no domínio de materiais avançados da Astra Trainer, conectada a cerâmicas para substratos e dielétricos, nanotecnologia para as ferramentas de fabricação, engenharia de superfícies para filmes finos, e minerais críticos para a cadeia de suprimentos.
Ela combina diretamente com o domínio de semicondutores, eletrônica e quântica, que reúne nove trilhas, incluindo física e dispositivos de semicondutores, design de chips e VLSI, e manufatura de semicondutores e encapsulamento avançado. Parceiros construindo capacidade de fábrica ou encapsulamento costumam combinar os dois domínios, porque a camada de materiais e a camada de processo são o mesmo problema visto de dois lados. Você pode ver as onze trilhas aqui.
Banda larga, e por que é uma história de manufatura
Carbeto de silício e nitreto de gálio são os semicondutores compostos comercialmente mais relevantes, usados em eletrônica de potência para veículos elétricos, carregadores, equipamentos de rede e acionamentos industriais.
A vantagem em física de dispositivos já está estabelecida: eles suportam tensões mais altas, comutam mais rápido e operam mais quentes do que o silício, o que significa sistemas de potência menores e mais eficientes.
A restrição está nos materiais, e vale a pena ser específico sobre o porquê.
O crescimento de cristal é mais difícil. Esses materiais são mais difíceis de crescer com baixa densidade de defeitos do que o silício, e defeitos reduzem rendimento e confiabilidade.
Os substratos são caros. O que afeta diretamente o custo do dispositivo e é a principal barreira em aplicações sensíveis a custo.
A qualidade da interface é o limite de confiabilidade. A interface dielétrica nesses dispositivos é um desafio de engenharia de longa data, e é um problema de materiais e processamento.
O processamento é diferente do silício. A experiência já existente em silício se transfere apenas parcialmente, então uma força de trabalho não pode simplesmente ser realocada.
A implicação para a força de trabalho: uma empresa entrando em eletrônica de potência precisa de capacidade em materiais e defeitos, não só de projetistas de dispositivos, e vai descobrir que essa capacidade é mais escassa do que imagina.
As funções, nomeadas
Engenheiros de crescimento de cristal e wafer. População pequena, longo prazo até a competência plena.
Engenheiros de processo de filmes finos. Deposição e corrosão, uma das maiores populações de engenharia de fábrica.
Especialistas em caracterização e metrologia de materiais. Medir o que foi feito na resolução exigida.
Engenheiros de defeitos e rendimento. Conectando defeitos de material à falha elétrica, onde está o dinheiro.
Especialistas em controle de contaminação e gestão química.
Engenheiros de materiais de encapsulamento. Crescendo rapidamente com o encapsulamento avançado.
Engenheiros de confiabilidade trabalhando em mecanismos de falha causados por materiais.
Engenheiros de cadeia de suprimentos e qualificação de materiais. Qualificando novas fontes, um trabalho lento, essencial e raramente bem dimensionado.
Quem pode ser capacitado para essas funções
Engenheiros de materiais e químicos. Precisam do contexto específico de semicondutores e da disciplina de pureza.
Técnicos de processo de fábrica. Já trabalham com esses materiais diariamente e costumam não ter a ciência de materiais por trás. É a conversão mais curta e a maior população disponível, e se conecta ao ponto mais amplo de que a camada de técnicos é onde a lacuna de força de trabalho em semicondutores é maior.
Engenheiros químicos. Para gestão química, fornecimento de gases e líquidos, e química de processo.
Químicos analíticos e microscopistas. Para caracterização e metrologia.
Engenheiros eletrônicos. Precisam da camada de materiais para trabalhar em confiabilidade de dispositivos.
Profissionais de outras indústrias ultralimpas. Manufatura farmacêutica e óptica de precisão, onde a cultura de controle de contaminação já existe.
Risco químico e controle de exportação. O processamento de materiais para semicondutores envolve produtos químicos altamente perigosos, incluindo gases pirofóricos e tóxicos, sob regimes de controle rígidos, e o trabalho exige autorização específica do site e qualificação supervisionada em equipamentos específicos. Separadamente, certos materiais, equipamentos e dados técnicos de semicondutores estão sujeitos a controle de exportação em diversas jurisdições, e compartilhar informação técnica pode em si ser uma atividade controlada. O treinamento constrói entendimento científico e de processo. Ele não confere autorização de site, qualificação para trabalho perigoso, nem qualquer liberação de controle de exportação.
O que levar disso
A restrição do roadmap migrou para materiais e integração, e a qualificação de materiais é medida em anos.
As exigências de pureza e uniformidade não têm paralelo no restante da indústria, o que torna o controle de contaminação uma disciplina comportamental, não um procedimento.
Os dispositivos falham nas interfaces, então a capacidade em filmes finos e interfaces é a habilidade que importa, e ela difere do design de dispositivos.
A eletrônica de potência de banda larga é limitada pela qualidade do cristal, pelo custo do substrato e pela confiabilidade da interface, então entrar nesse mercado exige gente de materiais e defeitos, não só projetistas.
E técnicos de processo de fábrica são a conversão mais curta e o maior grupo disponível, o que coincide com onde a lacuna de força de trabalho em semicondutores é maior no geral.
Por que os materiais estão limitando o avanço dos chips?
Porque os avanços exigem cada vez mais introduzir novos materiais na pilha e integrá-los sem quebrar mais nada, e cada novo material é um problema de qualificação medido em anos.
Por que a pureza importa tanto?
A contaminação é especificada em partes por bilhão ou menos, e uma única partícula pode arruinar um die. Isso faz do controle de contaminação uma disciplina que as pessoas internalizam, não uma regra que seguem.
Onde os dispositivos semicondutores falham?
Geralmente nas interfaces: interdifusão, estados de interface, tensão e delaminação, e eletromigração nas interconexões. Raramente no volume de uma camada.
O que limita o carbeto de silício e o nitreto de gálio?
Crescimento de cristal com baixa densidade de defeitos, custo do substrato e qualidade da interface dielétrica. A vantagem em física de dispositivos já está estabelecida; a restrição está nos materiais e na manufatura.
Onde isso se encaixa no domínio?
Oitava de onze trilhas no domínio de materiais avançados da Astra Trainer, combinada com o domínio de semicondutores, eletrônica e quântica. Você pode ver aqui.