Os semicondutores estão presentes em quase tudo atualmente e uma alta demanda pela produção dos mesmos fez com que viesse a acontecer uma escassez de semicondutores.

Causando inclusive paradas de fábricas de automóveis sendo essa uma das indústrias mais afetadas pela falta dos mesmos.. 

O que é semicondutor?

Semicondutor é a matéria prima base de toda a eletrônica atual, até mesmo no mais simples dos circuitos. Esses elementos possuem uma característica especial, e são manipuláveis para que executem determinadas funções nos circuitos. Tal qual agir como chaves, e amplificar sinais, permitir a passagem de sinais em somente um sentido entre várias outras funções.

O material semicondutor mais comum utilizado majoritariamente para fabricação dos tais componentes é o silício, pois é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. Normalmente encontrado na forma de silicato SiO4 ou sílica SiO2, ele é o principal constituinte do cimento, vidro, cerâmicas e silicones.

Silício na forma cristalina

O silício não é o melhor dos materiais para ser utilizado como semicondutor, há também o Germânio, porém a alta disponibilidade do primeiro faz com que o custo desse seja menor, e portanto é o mais explorado para suas aplicações em eletrônica.

Um processo chamado dopagem é feito com o silício na sua forma original que permite que ele opere do modo esperado como um semicondutor. Que pela morfologia da palavra fica entre um condutor (baixa resistência elétrica) e um isolante (alta resistência elétrica), ou seja, essa característica dá ao engenheiro o controle com o que acontecerá com o circuito dependendo das circunstâncias do projeto, hora agindo como condutor ora como isolante.

Dispositivos baseados em semicondutores

Quando se menciona o termo semicondutor, por experiências passadas ou aulas de disciplinas como Física III para alunos de outras áreas da engenharia, o Transistor é o primeiro componente que se lembra. Entretanto há muito mais que somente este. 

Processadores são totalmente dependentes dos transistores, há uma subdivisão interessante com processadores com funções específicas e itens genéricos com multipropósitos, mas todos eles sendo feitos de milhares de transistores e outros componentes.

chips

Placa eletrônica com dois chips (microcontrolador e memória) feitos de semicondutores

Uma série de outros componentes são baseados em semicondutores como os diodos, reguladores lineares, triacs, comparadores, contadores, controladores. Alguns destes são chips que são classificados como ASICs, sigla em inglês para Circuito Integrado de Aplicação Específica.

Processo produtivo

Passo a passo dos processo para fabricação dos chips:

  1. Um líquido fotorresistente é aplicado sobre o disco de silício;
  2. O disco gira para haver uma distribuição uniforme do líquido;
  3. Uma Luz UV é projetada para formar o desenho dos circuitos de acordo com o projeto;
  4. Os pontos atingidos pela luz tornam-se solúveis e esse processo é chamado de litografia (semelhança com o processo de cópia de desenhos utilizando uma referência sobreposta);
  5. A parte de material solúvel é removida e também o material fotorresistente;
  6. Esse disco agora é chamado de Wafer (devido às várias camadas) e é aplicado uma camada de proteção para evitar curto circuitos;
  7. E chip então é bombardeado por íons de cobre, e estes vão criar as conexões elétricas
  8. O cobre em excesso é removido e o processo é reiniciado com a próxima camada do Wafer;
  9. Os chips deste disco são então cortados para serem encapsulados;
  10. A ligação entre os terminais do componente e o wafer é feito um uma fina linha de ouro ou material ótimo condutor, e o processo se assemelha a uma costura;

Um infográfico produzido pelo portal Tecmundo pode ser visualizado neste link e traz de maneira ilustrada o processo mencionado acima.

Na imagem abaixo é possível visualizar um wafer que foi transformado a partir de um disco de silício. A imagem é de um laboratório onde está sendo produzido um espécime para testes e validações.

Wafer sendo inspecionado em equipamentos de laboratório

MANUFATURA Automatizada

Uma produção em larga escala de um semicondutor normalmente é feita com máquinas automatizadas, onde todo o processo é milimetricamente controlado, e as variáveis de processo totalmente controladas por uma variedade de sensores de posicionamento e atuadores automáticos. Um exemplo de uma estação como essa é vista na figura abaixo, onde o fabricante é uma das empresas que fazem esse tipo de equipamento.

Estação de fabricação de chips semicondutores automatizada

Uma automatização desse processo pode ser visualizada no vídeo abaixo com créditos da Intel, onde o processo desde a preparação de um lingote de silício, o corte em discos e a montagem final do chip é demonstrada. 

Demanda de mercado 

O Coronavirus causou uma alteração sem precedentes nos meios a como trabalhamos e nos comunicamos, prevendo uma diminuição da demanda de automóveis pois os deslocamentos seriam evitados a indústria automotiva enviou ofícios para os fabricantes de circuitos integrados com redução de volume anual comprado.

Por outro lado, a fabricação de outros eletrônicos e itens para casa cresceu, com mais pessoas ficando em casa e fazendo dela seu escritório, escola, etc.  Então a indústria de chips converteu a demanda e seus equipamentos para produção de tais semicondutores de outras indústrias. Abaixo é possível observar o tamanho e número de linhas de fabricação de celulares em uma fábrica da China.

Manufatura de celulares (fabrica da China)

Com a demanda aumentada de indústrias de linha branca e marrom, o gargalo não é o silício, mas a capacidade de produção de chips. Pois com perspectiva de retorno da demanda de automóveis acima do estimado anteriormente as empresas não conseguem atender a nova demanda das industrias automotivas. 

Fábricas da Fiat, Honda, Nissan, Volkswagen e Toyota foram afetadas, mas não é descartado que outros fabricantes tenham o mesmo problema. Bem como outras indústrias considerando que o aumento global da demanda por chips vem causando problemas também.

Ainda mais puxado pelo fato de que chips usados nos veículos possuem especificações diferentes para altas temperaturas principalmente. Uma mudança no processo produtivo dos fabricantes pode levar de 3 a 6 meses sendo que a normalidade só deve ser alcançada em 2022. 

Linha automotiva

Como mencionado no artigo sobre evolução tecnológica os carros possuem atualmente uma demanda por semicondutores muito elevada para citar alguns exemplos de locais onde se usam chips nos veículos podemos usar a imagem abaixo como referência. De um painel de um veículo com uma grande tela multimídia, que também é o GPS do veículo. 

Painel de um veículo com vários dispositivos eletrônicos baseados em semicondutores

Painéis apesar de possuírem ponteiros são movidos por pequenos motores e estes requerem um controle com um circuito integrado. Vidros elétricos, direção elétrica, câmbio automático, sistema de partida em rampa, controle de estabilidade, sensor de chuva, sensor acendimento automático de faróis, frenagem automática, ABS, sensores de estacionamento, câmeras de estacionamento, controle de temperatura interna, alarme.

Sem contar com o controle do funcionamento do motor com a injeção eletrônica, controle de emissão de poluentes, e em alguns casos sistemas de eletrificação de carros híbridos. 

A lista parece não ter fim com itens de cada um que precisa de um microchip. E o veículo hoje opera com uma rede de dispositivos exigindo ainda comunicação entre módulos. Segundo informações do fabricante, o Volkswagen Taos possui cerca de 300 microchips atualmente, onde há alguns anos esse número estava na média de 15.

A composição da eletrônica de um veículo representava aproximadamente 15% do custo total nos anos 2000, hoje representa até 40% e a demanda crescente por novas tecnologias, sendo diferencial para o consumidor que busca inovação ao trocar de carro, essa demanda tende a crescer para até 50% num futuro próximo.


Marcos Aurelio Souza
Catarinense, nascido em Joinville. Engenheiro de Controle e Automação, pela Unisociesc. Sempre envolvido com pesquisas, iniciação cientifica e projetos extra curriculares, áreas de interesse eletrônica embarcada, hardware, simulações, sensoriamento, etc. Engenheiro na Whirlpool Corporation na unidade do Brasil, trabalhando com desenvolvimento de eletrônica embarcada para diferentes tipos de eletrodomésticos e com experiência em diversas áreas, como sensores, atuadores, hardware, testes, gerenciamento de projetos.

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