Sự phát triển của các thiết bị điện tử, máy móc thông minh và khả năng kết nối trên toàn thế giới đồng nghĩa với việc hầu hết mọi ngành công nghiệp đều phụ thuộc vào chất bán dẫn. Sự thiếu hụt chip bán dẫn vi điện tử trên toàn cầu, trở nên tồi tệ hơn do nhu cầu thay đổi và các vấn đề về chuỗi cung ứng, đã làm gián đoạn các nhà sản xuất ô tô của Hoa Kỳ và dự kiến sẽ tác động đến các thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị y tế và thiết bị mạng.
Chất bán dẫn — những con chip nhỏ bé hỗ trợ công nghệ hiện đại — rất quan trọng đối với nền kinh tế Hoa Kỳ, tạo việc làm, dẫn đầu về công nghệ và an ninh quốc gia. Có các nhà máy sản xuất chip ở 18 tiểu bang và chất bán dẫn là mặt hàng xuất khẩu lớn thứ năm của Hoa Kỳ. Nhưng thị phần của Hoa Kỳ trong sản xuất chất bán dẫn toàn cầutừ 37 phần trăm năm 1990 xuống còn 12 phần trăm. Trong đánh giá gần đây về chuỗi cung ứng chất bán dẫn, Chính quyền Biden đã ủng hộ việc mở rộng đầu tư liên bang vào. Đạo luật CHIPS cho Hoa Kỳ được Thượng viện thông qua bao gồm 52 tỷ USD đầu tư liên bang cho các điều khoản nghiên cứu, thiết kế và sản xuất chất bán dẫn trong nước.
Các viện trong mạng lưới Sản xuất Hoa Kỳ đang nỗ lực đẩy nhanh quá trình thương mại hóa chất bán dẫn nhanh hơn, linh hoạt hơn và hiệu quả hơn ở Hoa Kỳ. Họ đang làm như vậy với quang tử tích hợp, thiết bị điện tử lai linh hoạt và điện tử công suất dải rộng. Công việc phát triển chip thế hệ tiếp theo này rất quan trọng để củng cố chuỗi cung ứng chất bán dẫn ở Hoa Kỳ và đảm bảo các nhà sản xuất vừa và nhỏ vẫn là nền tảng của một nền kinh tế mạnh mẽ và một quốc gia an toàn.
Sản xuất tại Hoa Kỳ®là mạng lưới gồm 16 viện đổi mới sản xuất và các cơ quan liên bang tài trợ của họ — Bộ Thương mại, Quốc phòng và Năng lượng. Nó được thành lập vào năm 2014 với mục tiêu là công nghệ sản xuất tiên tiến và sứ mệnh của nó là đảm bảo vị trí dẫn đầu toàn cầu của Hoa Kỳ trong lĩnh vực sản xuất tiên tiến bằng cách kết nối con người, ý tưởng và công nghệ.
Các công nghệ mới nổi đang biến đổi chất bán dẫn
Ngành công nghiệp bán dẫn và công việc có độ chính xác cao đòi hỏi thời gian thực hiện dài và chi phí sản xuất cao. Một nhà máy silicon tiên tiến có thể mất 5 năm để xây dựng và tiêu tốn hơn 20 tỷ USD. Một số xưởng đúc mới đang được xây dựng nhưng dự kiến sẽ không hoạt động cho đến năm 2023 hoặc muộn hơn.
Việc đầu tư vào công nghệ trong tương lai cũng rất cần thiết. Vì không có gì truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng nên các mạch quang tử tạo cơ hội truyền dữ liệu nhanh hơn, giảm mức tiêu thụ điện năng của thiết bị và tăng băng thông. Tương tự như vậy, bảng mạch in truyền thống rất cứng và độ cứng đó tạo ra những hạn chế, đó là lý do tại sao các thiết bị điện tử lai linh hoạt lại có nhu cầu cao cho các ứng dụng như thiết bị đeo trong y tế, quần áo và các mục đích sử dụng khác. Chip silicon cũng có giới hạn về khả năng cung cấp năng lượng của chúng; trong khi các thiết bị điện tử công suất cacbua silic và gali nitrit mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất trong các ứng dụng năng lượng cao.
Hoa Kỳ dẫn đầu toàn cầu về cả ba công nghệ mới nổi này. Đầu tư vào xây dựng nhà máy và hệ sinh thái hỗ trợ cho những công nghệ này sẽ rất quan trọng đối với chuỗi cung ứng chất bán dẫn trong tương lai. Có khoảng 250 nhà sản xuất ở Hoa Kỳ trong hệ sinh thái bảng mạch tích hợp có thể hoạt động trên các công nghệ mới này, nâng cao giá trị sản phẩm của họ và hưởng lợi từ sự dẫn đầu của Hoa Kỳ trong các lĩnh vực này. Vô số công ty khác sẽ kết hợp những công nghệ này vào sản phẩm của họ để mở khóa những khả năng mới.
Quang tử tích hợp – Sự giao thoa giữa ánh sáng và điện tử
Quang tử tích hợp hay mạch tích hợp quang tử (PIC) tương tự như các mạch điện tử tương tự nhưng sử dụng ánh sáng để tạo ra tín hiệu số thay vì điện tử. Bằng cách di chuyển dữ liệu bằng các photon (ánh sáng) thay vì điện tử, nhiều nút thắt về năng lượng, sưởi ấm và xử lý đã được giảm bớt do việc sử dụng các thiết bị điện tử và dây đồng. Việc sản xuất quang tử silicon tiên tiến của AIM Photonics có thể tích hợp các thiết bị quang tử quan trọng: bộ điều biến, tia laser, máy dò và ống dẫn sóng, cùng với các thiết bị điện tử hiện đại. Về bản chất,đang kết hợp ánh sáng với thiết bị điện tử.
, một thành viên của mạng lưới Sản xuất Hoa Kỳ, vận hành các dịch vụ tạo nguyên mẫu quang tử thông qua Khu phức hợp công nghệ nano Albany ở Albany, N.Y. Khu phức hợp công nghệ nano Albany là cơ sở R&D tấm wafer 300 mm thuộc sở hữu công tiên tiến nhất trên thế giới. AIM đã phát triển Tấm wafer đa dự án silicon photonics (MPW) để rút ngắn thời gian thiết kế, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm giá đầu vào cho các công ty muốn phát triển các ứng dụng quang tử silicon mới. AIM cũng đã xây dựng một cơ sở thử nghiệm, lắp ráp và đóng gói quang tử và điện tử ở Rochester, N.Y., hoàn thiện khả năng tạo ra một sản phẩm từ ý tưởng và thiết kế ban đầu thông qua các nguyên mẫu bao bì và sản phẩm.
Ngày nay, chip quang tử tích hợp, thường được gọi là quang tử silicon, chủ yếu được tìm thấy trong các bộ thu phát, một bộ phận quan trọng của trung tâm dữ liệu. Tuy nhiên, Photonics có nhiều ứng dụng. Quang tử silicon có thể được nhìn thấy trong một ứng dụng xét nghiệm sinh học dùng một lần, rẻ tiền, trong đó cảm biến có thể đọc được liệu một giọt máu có nhiễm Covid-19 hay không. Quang tử silicon cũng có thể mở rộng việc sử dụng LiDAR (phát hiện và đo phạm vi ánh sáng) thay vì radar (phát hiện và đo phạm vi vô tuyến). LiDAR sử dụng tia laser có bước sóng ngắn hơn nhiều so với radar, mang lại độ chính xác và độ chính xác cao hơn. LiDAR cho phép phát hiện các vật thể nhỏ hơn một cách chi tiết hơn. Chip quang tử silicon sẽ có nhiều ứng dụng hơn và có thể trở thành vectơ mở rộng quy mô trong tương lai của vi điện tử.
Tạo tính linh hoạt cho bảng mạch mở ra nhiều ứng dụng
Cũbảng mạch in bị hạn chế bởi độ cứng của chúng, có nghĩa là khi các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ hơn, việc tạo ra các kiểu dáng hệ thống mới cho cả ứng dụng thương mại và quân sự là một thách thức kỹ thuật.
, Công ty Điện tử lai linh hoạt của Mỹ, đã phát triển các mạch in chi phí thấp cho phép sử dụng chất bán dẫn trong các hệ thống linh hoạt nhỏ. Các hệ thống này cung cấp khả năng kết nối “Internet of Things” có thể phù hợp với bề mặt và cơ thể của các thiết bị đeo được và linh hoạt.
NextFlex có công nghệ tiên tiến nhấtđã chứng minh thành công quy trình sản xuất hiệu quả bằng cách tạo ra nhiều mẫu chức năng của Arduino linh hoạt®-bộ vi điều khiển tương thích, nền tảng điện tử nguồn mở dựa trên phần cứng và phần mềm dễ sử dụng. Quy trình đó sử dụng ít bước hơn 60%, giúp sản xuất nhanh hơn với chi phí thấp hơn và sản phẩm cuối cùng nhỏ hơn, nhẹ hơn 2/3 và có thể sử dụng được trong nhiều ứng dụng hơn so với bảng cứng.
Điều này sẽ cho phép ngành công nghiệp bán dẫn mở rộng ra ngoài các đơn vị xử lý tập trung và đắt tiền. Thiết bị điện tử lai linh hoạt tận dụng các bảng mạch có chi phí thấp hơn và sử dụng ít điện năng hơn. Những bảng mạch linh hoạt này đang được tích hợp vào nhiều loại sản phẩm dùng trong theo dõi sức khỏe và hiệu suất, giám sát cấu trúc của các tòa nhà và cầu, robot mềm và ăng-ten.
Hoạt động công nghiệp cũng được hưởng lợi từ chất bán dẫn hiệu quả hơn
Ngoài tốc độ và tính linh hoạt, tương lai của chất bán dẫn còn phụ thuộc vào các thiết bị có thể hoạt động ở nhiệt độ, tần số và điện áp cao hơn các thiết bị điện tử tiên tiến hiện nay. Đây là trọng tâm của PowerAmerica, công ty đã làm việc với các đối tác trong ngành của mình để thúc đẩy sản xuất và triển khai chất bán dẫn vùng cấm rộng silicon Carbide (SiC) và gallium nitride (GaN).
So với silicon truyền thống,Thiết bị điện tử công suất SiC và GaN hoạt động hiệu quả hơn, có thể chịu được nhiệt độ cao hơn, chiếm diện tích nhỏ hơn và có thể giảm chi phí tổng thể của hệ thống. Nhưng các thiết bị bán dẫn SiC đắt hơn để sản xuất.
PowerAmerica đã hợp tác vớiđể tạo ra một xưởng sản xuất chất bán dẫn điện ở Lubbock, Texas. Cơ sở này có thể chế tạo các thiết bị năng lượng SiC với quy mô kinh tế gần bằng các thiết bị năng lượng silicon. Một số thành viên PowerAmerica đang sử dụng năng lực của X-FAB với tư cách là các công ty bán dẫn không có khả năng sản xuất hoặc sử dụng năng lực của X-FAB để bổ sung cho nỗ lực sản xuất nội bộ của họ.
Viện cũng hỗ trợ hệ sinh thái điện tử công suất GaN và các ứng dụng thương mại có thể hưởng lợi từ công nghệ hiệu quả này. Ví dụ: các đối tác của PowerAmerica đã sử dụng công nghệ SiC và GaN đểcải thiện đáng kể khả năng sạc của Xe điệnđồng thời giảm chi phí và rào cản.
PowerAmerica đã hoàn thành nguồn tài trợ từ DOE và tiếp tục chương trình được hỗ trợ bởi 67 thành viên từ hệ sinh thái điện tử công suất.
Đổi mới đang thúc đẩy chuỗi cung ứng nội địa mới cho chất bán dẫn
Mạng lưới Sản xuất Hoa Kỳ hỗ trợ phát triển các công nghệ mới cần thiết để cải tiến chuỗi cung ứng của Hoa Kỳ trong lĩnh vực vi điện tử. .
Năm 2020, 16 viện đã hợp tác với hơn2.000 tổ chức thành viên cộng tác trong hơn 500 dự án nghiên cứu và phát triển lớn, đồng thời thu hút hơn 70.000 người tham gia xây dựng kiến thức và kỹ năng cho lực lượng lao động trong lĩnh vực sản xuất tiên tiến. Các quỹ của tiểu bang, ngành và liên bang đã đóng góp 400 triệu USD cho các hoạt động này.
Để tìm hiểu thêm về cách quang tử tích hợp, thiết bị điện tử lai linh hoạt và công nghệ băng thông rộng đang đẩy nhanh quá trình thương mại hóa các chất bán dẫn nhanh hơn, linh hoạt hơn và hiệu quả hơn, hãy truy cập kèo nhà cái bóng đá hôm naytrang của viện.