Por muitos anos, o progresso da tecnologia de semicondutores foi amplamente descrito por nós de processo.

10 nm tornaram-se 7 nm, depois 5 nm, 3 nm e arquiteturas de transistores cada vez mais avançadas.

Mas à medida que aceleradores de IA, sistemas de computação de alto desempenho e empacotamento avançado continuam a escalar, a densidade de transistores não é mais o único fator que determina o desempenho do sistema.

A indústria de semicondutores está entrando em uma nova fase em que materiais, empacotamento, interconexões, entrega de energia e gerenciamento térmico estão se tornando tão importantes quanto o escalonamento de transistores.

Essa transição está aumentando o interesse em uma ampla gama de materiais semicondutores, incluindo:

• Pastilhas de silício sobre isolante (SOI)
• Substratos de vidro
• Carbeto de silício (SiC)
• Nitreto de gálio (GaN)
• Cerâmicas de nitreto de alumínio (AlN)
• Cerâmicas de carbeto de silício
• Materiais de dissipação de calor à base de diamante
• Compósitos de diamante-cobre

Esses materiais abordam diferentes desafios de engenharia, mas estão cada vez mais conectados por um impulsionador comum:

Sistemas de IA e HPC exigem mais largura de banda, maior eficiência de energia, empacotamento mais denso e melhor desempenho térmico.

O Gargalo dos Semicondutores Está se Expandindo Além dos Transistores

Processadores modernos de IA contêm enormes recursos de computação.

No entanto, o aumento da capacidade computacional também cria várias novas limitações.

Duas das mais importantes são:

movimentação de dados

e

remoção de calor.

Um acelerador de IA deve trocar continuamente enormes quantidades de dados com HBM, processadores vizinhos, interfaces de rede e sistemas de armazenamento.

Ao mesmo tempo, esses dispositivos geram calor cada vez mais concentrado dentro de pacotes avançados.

Como resultado, melhorar o desempenho do transistor sozinho não é mais suficiente.

Todo o sistema semicondutor deve ser otimizado.

Isso inclui:

• interconexões ópticas
• substratos avançados
• integração HBM
• conversão de energia
• interfaces térmicas
• dissipadores de calor
• materiais de empacotamento

Essa transição em nível de sistema está criando novas oportunidades para materiais semicondutores que anteriormente ocupavam mercados relativamente especializados.

1. SOI Fotônico Está se Tornando Mais Importante para Interconexões de IA

Silício sobre isolante não é um novo material semicondutor.

Pastilhas SOI são usadas há muito tempo para aplicações como:

• MEMS
• dispositivos de RF
• sensores
• circuitos integrados especiais

No entanto, a infraestrutura de IA está criando outra importante oportunidade de crescimento:

fótons de silício.

À medida que os clusters de IA se tornam maiores, as interconexões elétricas tradicionais enfrentam cada vez mais desafios relacionados a:

• perda de transmissão
• consumo de energia
• densidade de largura de banda
• integridade do sinal
• distância de transmissão

Interconexões de cobre permanecem essenciais, mas a comunicação óptica se torna cada vez mais atraente à medida que os requisitos de largura de banda aumentam.

Esta é uma razão pela qual a óptica co-empacotada, ou CPO, tem recebido tanta atenção.

Em vez de depender inteiramente de conexões elétricas entre processadores de alto desempenho e módulos ópticos, a CPO aproxima os motores ópticos do silício de comutação ou computação.

O objetivo é reduzir o comprimento das conexões elétricas de alta velocidade e transferir mais dados opticamente.

SOI é uma das plataformas de substrato mais importantes para fótons de silício.

Por que SOI Funciona Bem para Fótons de Silício

Uma pastilha típica de SOI fotônico contém:

• uma fina camada de dispositivo de silício
• uma camada de óxido enterrada
• uma pastilha de silício de suporte

A camada superior de silício pode ser padronizada em guias de onda ópticos.

O óxido enterrado fornece isolamento óptico entre o guia de onda de silício e o substrato de silício subjacente.

Estruturas comuns de fótons de silício incluem:

• guias de onda
• ressonadores em anel
• moduladores
• acopladores ópticos
• interferômetros Mach-Zehnder
• plataformas de integração de fotodetectores

Em muitas plataformas fotônicas comerciais, a camada de dispositivo de silício tem apenas algumas centenas de nanômetros de espessura.

Por exemplo, aproximadamente 220 nm de silício em um óxido enterrado em escala micrométrica é amplamente utilizado em fótons de silício.

Isso significa que os requisitos de pastilhas SOI para fotônica são muito diferentes daqueles para MEMS ou aplicações de RF convencionais.

Uniformidade de espessura, qualidade de superfície e controle de BOX tornam-se particularmente importantes.

Data Centers de IA Podem Impulsionar Mais Demanda por SOI Fotônico

A importância dos fótons de silício está intimamente ligada ao crescimento dos data centers de IA.

Clusters de IA exigem comunicação de altíssima velocidade:

dentro do servidor

entre aceleradores

entre racks

e cada vez mais

entre grandes grupos de sistemas de computação.

À medida que a comunicação elétrica se aproxima dos limites práticos em energia e densidade de largura de banda, as tecnologias de interconexão óptica estão se tornando mais importantes.

Isso significa que o SOI pode servir cada vez mais não apenas para dispositivos semicondutores tradicionais, mas também para a infraestrutura de comunicação óptica que circunda os processadores de IA.

Em outras palavras:

O boom da IA não está apenas aumentando a demanda por pastilhas de computação. Ele também está aumentando a demanda pelos materiais que movem dados entre os dispositivos de computação.

2. Substratos de Vidro Estão se Aproximando do Empacotamento Avançado

Outro material que está recebendo atenção crescente é o vidro.

O vidro tem sido usado em eletrônicos e fabricação de semicondutores há muitos anos.

As aplicações incluem:

• pastilhas de suporte
• MEMS
• componentes ópticos
• ligação temporária
• tecnologia de exibição

Mas o empacotamento avançado está criando uma nova oportunidade:

substratos de núcleo de vidro e interposers de vidro.

Pacotes modernos de IA podem combinar:

• dies de GPU ou acelerador de IA
• múltiplos chiplets
• pilhas HBM
• interposers
• substratos de pacote

À medida que as dimensões do pacote aumentam, a estabilidade dimensional se torna cada vez mais importante.

Materiais de substrato orgânico tradicionais podem enfrentar desafios, incluindo:

• empenamento
• expansão térmica
• padronização de linhas finas
• controle dimensional de grande área

O vidro oferece várias características atraentes para essas aplicações.

Por que o Vidro é Interessante para Empacotamento Avançado

O vidro pode fornecer:

• excelente estabilidade dimensional
• coeficiente de controle de expansão térmica
• superfícies lisas
• bom isolamento elétrico
• compatibilidade com processamento de painel grande
• potencial para estruturas de interconexão de passo fino

Uma das tecnologias habilitadoras mais importantes é:

TGV — Through Glass Via.

Um TGV cria conexões elétricas através da espessura de um substrato de vidro.

Após a formação do via, os furos podem ser metalizados para criar interconexões elétricas verticais.

Isso torna o vidro potencialmente adequado para:

• interposers de vidro
• substratos de núcleo de vidro
• pacotes de RF
• integração avançada de chiplets
• empacotamento de acelerador de IA

No entanto, o empacotamento de vidro requer mais do que simplesmente a produção de uma pastilha de vidro.

A cadeia de fabricação completa pode incluir:

preparação do vidro
→ afinamento de precisão
→ formação de TGV
→ metalização
→ camadas de redistribuição
→ ligação
→ empacotamento avançado

As empresas que podem controlar a cadeia de processo completa podem capturar mais valor do que os fornecedores de vidro bruto sozinhos.

3. HBM Está Transformando o Gerenciamento Térmico em um Problema de Materiais

Memória de Alta Largura de Banda tornou-se uma das tecnologias definidoras de hardware de IA.

HBM melhora a largura de banda da memória empilhando múltiplos dies DRAM verticalmente.

Isso permite que muito mais dados se movam entre a memória e os processadores do que com arquiteturas de memória convencionais.

Mas há uma consequência inevitável:

o empilhamento torna o gerenciamento térmico mais difícil.

Múltiplos dies de silício geram calor dentro de uma estrutura vertical compacta.

Ao mesmo tempo, as pilhas HBM são tipicamente colocadas muito perto de aceleradores de IA de alta potência.

Um pacote avançado de IA pode, portanto, conter várias fontes térmicas importantes em uma área limitada.

O desempenho térmico se torna um problema de design em nível de pacote.

Empacotamento Avançado Precisa de Melhores Materiais de Dissipação de Calor

Cobre tradicional permanece extremamente importante devido à sua:

• alta condutividade térmica
• fabricação madura
• baixo custo relativo
• boa usinabilidade

No entanto, futuros pacotes de alta potência podem exigir materiais com capacidades adicionais.

Materiais potenciais incluem:

• cerâmicas AlN
• cerâmicas SiC
• Cu-Mo
• Cu-W
• diamante CVD
• compósitos de diamante-cobre
• materiais avançados de interface térmica

Os principais parâmetros de material incluem cada vez mais:

• condutividade térmica
• coeficiente de expansão térmica
• resistência da interface térmica
• planicidade
• rigidez mecânica
• confiabilidade sob ciclagem térmica

O problema térmico, portanto, não é mais resolvido simplesmente anexando um dissipador de calor maior.

Ele começa muito mais perto do die semicondutor.

4. Por Que o Diamante Está Voltando para a Discussão Térmica de Semicondutores

O diamante está recebendo atenção renovada devido a uma propriedade excepcional:

condutividade térmica muito alta.

Diamante sintético de alta qualidade pode conduzir calor muito mais eficazmente do que muitos materiais convencionais de gerenciamento térmico.

Isso torna o diamante atraente para remover calor concentrado de dispositivos de alta potência.

Aplicações potenciais incluem:

• aceleradores de IA
• processadores HPC
• dispositivos de RF GaN
• módulos de potência semicondutores
• sistemas a laser

No entanto, o diamante puro também tem desvantagens.

Estas incluem:

• alto custo
• usinagem difícil
• metalização difícil
• ligação desafiadora
• economia limitada de grande área

Como resultado, pesquisadores e fornecedores de materiais estão explorando cada vez mais soluções híbridas.

Um exemplo importante é:

Compósito de Diamante-Cobre.

Por que o Diamante-Cobre é Interessante

Compósitos de diamante-cobre combinam partículas de diamante com uma matriz de cobre.

O objetivo é alcançar duas propriedades simultaneamente:

maior condutividade térmica

e

menor expansão térmica do que o cobre convencional.

Isso é atraente porque o empacotamento de semicondutores frequentemente enfrenta um trade-off.

O cobre conduz bem o calor, mas tem um coeficiente de expansão térmica relativamente alto.

Materiais de CTE baixo, como tungstênio e molibdênio, podem melhorar a estabilidade dimensional, mas muitas vezes reduzem a condutividade térmica quando adicionados ao cobre.

O diamante oferece uma possibilidade diferente porque possui ambos:

• condutividade térmica extremamente alta
• expansão térmica muito baixa

Em princípio, compósitos de Diamante/Cu podem, portanto, melhorar a condutividade térmica enquanto reduzem o CTE.

A Interface é Mais Importante do que o Conteúdo de Diamante

Um compósito de Diamante-Cobre não é automaticamente de alto desempenho simplesmente porque contém uma grande porcentagem de diamante.

A questão mais difícil é a interface entre:

diamante

e

cobre.

O cobre não se liga naturalmente de forma eficiente com o diamante.

O contato de interface ruim pode criar resistência térmica substancial.

Isso significa que o calor não pode se mover eficientemente de:

cobre → diamante → cobre.

Fabricantes, portanto, usam técnicas de engenharia de interface envolvendo elementos formadores de carbeto, como:

• Ti
• Cr
• W
• Mo
• Zr

Esses elementos podem melhorar a ligação diamante-cobre.

No entanto, a camada de interface também deve ser cuidadosamente controlada.

Se ela se tornar muito espessa, a própria interface pode se tornar uma barreira térmica.

Isso ilustra uma tendência importante em materiais semicondutores avançados:

O desempenho futuro depende cada vez mais da engenharia de interface, não apenas das propriedades do material a granel.

5. SiC Continua Sendo um Material Semicondutor Importante

Embora a IA receba enorme atenção, a eletrificação continua a impulsionar outra grande transição em semicondutores:

a expansão dos dispositivos de potência de carbeto de silício.

SiC tornou-se importante para aplicações incluindo:

• veículos elétricos
• inversores de tração de VE
• carregamento rápido
• inversores solares
• armazenamento de energia
• sistemas de energia industrial
• conversão de energia de alta tensão

Em comparação com dispositivos de potência de silício convencionais, SiC pode permitir:

• maior tensão de operação
• maior frequência de comutação
• menores perdas de comutação
• maior operação em temperatura
• componentes passivos menores

Mas à medida que a indústria de SiC amadurece, a pergunta está mudando.

Vários anos atrás, a discussão frequentemente se concentrava em:

O SiC pode substituir o silício em aplicações de alta potência?

Hoje, a pergunta mais prática é:

Como o custo de fabricação de SiC pode ser reduzido?

A Fabricação de SiC Está se Tornando uma Competição de Rendimento e Custo

Substratos de SiC são difíceis de fabricar.

Desafios ocorrem em toda a cadeia de processamento:

• crescimento de cristal
• fatiamento
• esmerilhamento
• lapidação
• CMP
• limpeza
• epitaxia
• inspeção de pastilha
• fabricação de dispositivos

SiC é extremamente duro e quebradiço.

Isso torna o corte e polimento de pastilhas mais lentos e caros do que o processamento de silício convencional.

Defeitos de substrato também podem influenciar o rendimento final do dispositivo.

À medida que o SiC avança para a fabricação em maior volume, o foco se desloca cada vez mais para:

• maiores diâmetros de pastilha
• maior qualidade de cristal
• menor densidade de defeitos
• redução de perda de kerf
• polimento mais rápido
• melhor planicidade da pastilha
• melhor rendimento do processo

Isso significa que oportunidades existem não apenas nas próprias pastilhas de SiC, mas em toda a cadeia de suprimentos de materiais e equipamentos de SiC.

6. GaN Está Encontrando Novas Oportunidades em Sistemas de Energia de IA

Nitreto de gálio é outro importante semicondutor de banda larga.

GaN é particularmente atraente onde:

• alta frequência de comutação
• alta eficiência
• conversão de energia compacta

são importantes.

Data centers de IA consomem enormes quantidades de eletricidade.

Reduzir a perda de conversão de energia em toda a arquitetura do servidor e rack é, portanto, cada vez mais valioso.

Dispositivos GaN podem ser usados em aplicações de conversão de energia de alta frequência, incluindo:

• fontes de alimentação de servidor
• conversores DC-DC
• adaptadores de energia de alta densidade
• sistemas de energia de telecomunicações

Isso cria outra conexão importante entre IA e materiais semicondutores.

A demanda por IA não cria apenas demanda por processadores.

Ela também aumenta a demanda pela eletrônica de potência necessária para operar esses processadores de forma eficiente.

SiC e GaN São Mais Complementares do que Competitivos

SiC e GaN são frequentemente apresentados como tecnologias semicondutoras concorrentes.

Na prática, eles frequentemente abordam diferentes partes do mercado de eletrônica de potência.

SiC tem um desempenho particularmente bom em:

• aplicações de alta tensão
• sistemas de alta potência
• tração automotiva
• energia de rede e industrial

GaN é altamente atraente para:

• comutação de alta frequência
• conversores de energia compactos
• aplicações de baixa a média tensão
• eletrônica de potência de data center

O futuro mercado de semicondutores de potência, portanto, provavelmente usará:

silício + SiC + GaN

em vez de selecionar um único material universal.

7. Cerâmicas Semicondutoras Estão se Tornando Mais Importantes

Outra categoria menos visível, mas cada vez mais importante, são os materiais cerâmicos avançados.

Equipamentos semicondutores dependem de cerâmicas de precisão para componentes como:

• chucks de pastilha
• placas de aquecimento
• componentes isolantes
• peças de câmara de plasma
• transportadores de pastilha
• estágios de precisão
• componentes de vácuo

Materiais importantes incluem:

• Alumina
• Nitreto de Alumínio
• Carbeto de Silício
• Nitreto de Silício
• Yttria

Cada material resolve um problema de engenharia diferente.

Alumina

Alumina oferece:

• excelente isolamento elétrico
• boa resistência química
• alta dureza
• processamento maduro
• custo relativamente controlado

Continua sendo uma das cerâmicas técnicas mais amplamente utilizadas.

Nitreto de Alumínio

AlN é especialmente atraente quando ambos:

isolamento elétrico

e

alta condutividade térmica

são necessários.

Isso o torna útil para:

• substratos de semicondutores de potência
• componentes de aquecimento
• estruturas de gerenciamento térmico
• empacotamento eletrônico

Cerâmica de SiC

Cerâmica de SiC fornece:

• alta rigidez
• alta condutividade térmica
• baixa expansão térmica
• excelente resistência ao desgaste
• estabilidade em alta temperatura

Essas características o tornam atraente para componentes de equipamentos semicondutores que devem permanecer dimensionalmente estáveis sob condições térmicas variáveis.

A IA Está Conectando Mercados de Materiais Anteriormente Separados

Uma das tendências semicondutoras mais interessantes é que materiais que antes pertenciam a indústrias relativamente separadas estão se tornando parte do mesmo sistema.

Considere uma plataforma de computação avançada de IA.

Ela pode exigir:

SOI

para fótons de silício e comunicação óptica.

Vidro

para empacotamento avançado de próxima geração.

HBM

para memória de alta largura de banda.

cerâmicas AlN ou SiC

para gerenciamento térmico e equipamentos semicondutores.

materiais à base de diamante

para dissipação de calor extrema.

GaN

para conversão de energia de data center de alta eficiência.

SiC

para infraestrutura de energia de alta potência.

Esses materiais desempenham funções completamente diferentes.

Mas a IA os está conectando através dos mesmos requisitos de engenharia:

• mais largura de banda
• maior integração
• maior eficiência de energia
• menor resistência térmica

De Escalamento de Processo para Escalamento de Sistema

A indústria de semicondutores, portanto, está entrando em uma forma mais ampla de escalonamento.

O escalonamento tradicional focava principalmente em tornar os transistores menores.

Melhorias futuras de desempenho dependem cada vez mais de:

**escalonamento de transistores

• escalonamento de empacotamento
• escalonamento de memória
• escalonamento óptico
• escalonamento de energia
• escalonamento térmico**

É por isso que materiais avançados estão se tornando estrategicamente importantes.

Um transistor mais rápido oferece benefício limitado se os dados não puderem alcançá-lo rapidamente.

Um acelerador de IA maior oferece benefício limitado se superaquecer.

Mais HBM oferece benefício limitado se a densidade de empacotamento se tornar impossível de gerenciar.

Empacotamento avançado e materiais estão se tornando parte da equação de desempenho.

Quais Materiais Semicondutores a Indústria Deve Observar em Seguida?

Várias categorias merecem atenção especial.

SOI Fotônico

Impulsionado por fótons de silício, comunicação óptica de alta velocidade e CPO.

Substratos de Vidro

Impulsionado por chiplets, HBM, empacotamento avançado de grande área e tecnologia TGV.

SiC

Impulsionado por VEs, energia industrial, energia renovável e eletrônica de alta tensão.

GaN

Impulsionado por conversão de energia de alta frequência e eficiência de data center.

Cerâmicas de Alta Condutividade Térmica

Impulsionado por densidade de potência e equipamentos semicondutores avançados.

Materiais Térmicos à Base de Diamante

Impulsionado por fluxo de calor extremo em IA, RF e dispositivos de alta potência.

Esses materiais não substituirão o silício.

Em vez disso, eles cercarão cada vez mais o silício e permitirão que ele continue a escalar no nível do sistema.

Conclusão

A revolução dos semicondutores de IA está se tornando uma revolução de materiais.

Por décadas, a pergunta mais importante da indústria foi:

Quão pequeno podemos fazer o transistor?

Essa pergunta continua importante.

Mas não é mais suficiente.

A próxima geração de sistemas semicondutores também deve responder:

Quão rápido os dados podem se mover?

Quão próximos múltiplos dies podem ser integrados?

Quão eficientemente a energia pode ser convertida?

Quão rapidamente o calor pode ser removido?

Essas perguntas estão aumentando a importância das pastilhas SOI, substratos de vidro, SiC, GaN, cerâmicas avançadas e materiais térmicos à base de diamante.

O futuro do desempenho de semicondutores, portanto, dependerá não apenas de chips melhores, mas de materiais melhores que cercam esses chips.

A próxima fase de competição pode ser definida menos por um único avanço de material e mais pela capacidade de integrar múltiplos materiais especializados em um sistema de alto desempenho.

Na era da IA, a inovação em semicondutores está indo além de simplesmente tornar os chips menores.

Está cada vez mais sobre permitir que os chips se comuniquem mais rapidamente, empacotem mais densamente, consumam energia de forma mais eficiente e operem em temperaturas mais baixas.