A Resiliência da Cadeia de Suprimentos de Semicondutores dos EUA

Em fevereiro de 2021, o presidente Biden assinou a Ordem Executiva (EO) 14017, “Cadeias de Suprimentos da América”, direcionando sete agências executivas a avaliarem a resiliência e a segurança das cadeias de suprimentos críticas do país. Como resultado, o Departamento de Energia dos EUA (DOE), por meio dos laboratórios nacionais, realizou avaliações das cadeias de suprimentos que compõem a Base Industrial do Setor de Energia, com foco especial nas tecnologias necessárias para descarbonizar os EUA até 2050.

Este é um resumo do Relatório Deep Dive sobre a Cadeia de Suprimentos de Semicondutores dos EUA, um dos 11 setores avaliados, publicado pelo DOE em fevereiro de 2022.

Introdução

Para combater a crise climática e evitar os impactos mais severos das mudanças climáticas, os EUA assumiram o compromisso de alcançar uma redução de 50% a 52% nas emissões líquidas de gases de efeito estufa em toda a economia até 2030, criar um setor de energia livre de poluição por carbono até 2035 e atingir emissões líquidas zero em toda a economia até, no máximo, 2050. 

A Base Industrial do Setor de Energia dos EUA exigirá transformações radicais para descarbonizar até 2050, e o crescimento, a eficiência energética e a segurança da cadeia de suprimentos de semicondutores são componentes essenciais dessa transformação. 

Semicondutores são uma tecnologia-chave no setor de energia, pois são essenciais para o funcionamento de praticamente todos os veículos elétricos, estações de recarga e turbinas eólicas, além de toda a rede elétrica, que são fundamentais para a descarbonização.  

Os semicondutores também são críticos para a economia americana, contribuindo com mais de US$ 246,4 bilhões para o produto interno bruto (PIB) dos EUA em 2020. Com valor de exportação de US$ 49 bilhões, foram o quarto maior item exportado pelos EUA em 2020, atrás apenas de aeronaves, petróleo refinado e petróleo bruto. 

O relatório foca tanto em semicondutores convencionais quanto em semicondutores de eletrônica de potência de wide bandgap (WBG) (“largura de banda larga”), pois ambos são fundamentais para alcançar emissões líquidas zero de carbono. 

A Tecnologia 

Para este relatório, o termo “semicondutor” se refere aos semicondutores utilizados em aplicações importantes para a descarbonização do setor de energia, exceto aqueles em fotovoltaicos.

Estes incluem:

• Semicondutores WBG (por exemplo, SiC e nitreto de gálio (GaN)) que controlam, convertem e condicionam o fluxo de energia para veículos elétricos (VEs), tecnologias industriais eletrificadas (como bombas de calor industriais) e outras aplicações de energia renovável, como geradores eólicos e solares.
• Semicondutores convencionais (por exemplo, à base de silício) que controlam o fluxo de dados para eficiência energética e aplicações de energia renovável, incluindo VEs, sistemas integrados de sensores sem fio para manufatura eficiente de energia, eficiência energética em edifícios e outras tecnologias de energia renovável.

A principal força motriz por trás da diferença nas aplicações é a faixa de operação dos semicondutores. Ambos desempenham bem entre 600 e 900 V, mas dispositivos de SiC também operam em tensões muito mais altas. Uma das áreas de sobreposição de aplicação entre GaN e SiC atualmente é o setor de VEs. 

Mapeamento da Cadeia de Suprimentos de Semicondutores

O mercado e a cadeia de suprimentos de semicondutores são globais e extremamente complexos. O processo de concepção, fabricação e encapsulamento de um produto semicondutor pode levar até 100 dias, incluindo 12 dias de trânsito, e pode cruzar fronteiras internacionais até 70 vezes.

A maioria das cadeias de suprimentos pode ser caracterizada por cinco segmentos principais: matérias-primas, materiais processados, subcomponentes, produto e reciclagem/reutilização no fim de vida. No entanto, a complexidade dos semicondutores exige vários segmentos adicionais: design, equipamentos de fabricação de semicondutores (SME) e montagem, teste e encapsulamento (ATP), incluindo encapsulamento avançado e pesquisa e desenvolvimento (P&D), conforme mostrado na Figura 9. 

Principais Vulnerabilidades da Cadeia de Suprimentos de Semicondutores dos EUA 

• Os esforços de descarbonização vão aumentar a demanda por energia renovável e sua infraestrutura de suporte, incluindo as cadeias de suprimentos tanto de semicondutores convencionais quanto de eletrônica de potência WBG. A atual falta de capacidade de fabricação doméstica e de acesso a matérias-primas será agravada. A produção global de silício projetada atualmente não conseguirá acompanhar esse crescimento, e é provável que outras cadeias de suprimentos também fiquem sobrecarregadas. O setor de VEs pode ser especialmente afetado devido ao aumento do uso de semicondutores nos veículos, assim como pela infraestrutura de recarga necessária. 

• O consumo mundial de energia por produtos que utilizam semicondutores dobrou a cada três anos desde 2010. Esse crescimento exponencial está projetado para acelerar ainda mais devido ao aumento da eletrificação pelo avanço da descarbonização e ao crescimento exponencial de aplicações computacionais intensivas em energia.

• Com a expansão das tecnologias de semicondutores em todos os setores, em especial no setor de energia, o desempenho e a eficiência dos semicondutores têm impacto direto sobre o desempenho e a eficiência das tecnologias desses outros setores. 
• Algoritmos de inteligência artificial estão dobrando sua capacidade a cada dois meses, e o consumo de energia dos semicondutores apenas para mineração de Bitcoin já utiliza mais eletricidade do que alguns países europeus, com tempo de duplicação de um ano. 

• Em 1995, 26% da capacidade global de fabricação de semicondutores estava localizada nos Estados Unidos; esse número caiu para 10% em 2020 (Associação da Indústria de Semicondutores Europeia). Desenvolver tecnologias para atender às necessidades dos setores de energia é especialmente crítico. Os EUA já têm força significativa no mercado de eletrônica de potência de SiC e presença no mercado de HV. No entanto, essa tecnologia e as tecnologias de suporte exigem desenvolvimento adicional para melhorar a qualidade e os custos. Sem investimentos agora, essa vantagem pode facilmente ser transferida para o exterior. 

• Praticamente não é possível introduzir novos dispositivos diretamente em fábricas que valem bilhões de dólares. Ferramentas baseadas em técnicas de controle ultrapréciso, utilizadas para fabricar esses dispositivos energeticamente eficientes, poderiam ser introduzidas por meio de fabricantes de equipamentos.

• Os Estados Unidos também precisam aprimorar suas capacidades em encapsulamento avançado. Essa tecnologia vem se tornando rapidamente essencial para desempenho e eficiência e só vai ganhar importância com o aumento da eletrificação. O encapsulamento avançado é uma área em crescimento e inovação que depende fortemente de capacidades de design, onde os EUA se destacam, mas o setor precisa construir as instalações produtivas em solo nacional ou corre o risco de ficar para trás nesse campo fundamental. 

• A fabricação de semicondutores demanda grande quantidade de água e tem elevada pegada de carbono devido ao intenso consumo de energia e ao uso de compostos fluorados. Assim, é fundamental considerar os potenciais impactos ambientais do aumento da produção. 

• Garantir uma cadeia de suprimentos resiliente depende de uma força de trabalho robusta e bem treinada. Essa demanda abrange desde trabalhos técnicos até pós-graduação avançada e deverá ser atendida tanto por cidadãos americanos quanto por profissionais estrangeiros. É fundamental que programas de treinamento, políticas de imigração e toda infraestrutura de apoio ajudem a suprir essa necessidade, sempre mantendo padrões trabalhistas sólidos e salários competitivos. 

Conclusões 

Os Estados Unidos ocupam uma posição de liderança na indústria de semicondutores, mas essa liderança vem sendo ameaçada, especialmente no que se refere à fabricação doméstica e ao encapsulamento avançado. 

Embora existam tecnologias capazes de ajudar a reduzir as emissões de carbono, atualmente essas dependem de matérias-primas comercializadas em mercados globais opacos e voláteis, muitas vezes localizados em áreas geopoliticamente sensíveis. 

Além disso, as etapas intermediárias da cadeia de suprimentos, como processamento de materiais e fabricação de componentes, estão concentradas em países estrangeiros com relações geopolíticas complexas com os Estados Unidos.

Para que os Estados Unidos mantenham e ampliem sua liderança na indústria de semicondutores, é necessário atender ao crescimento explosivo da demanda por eletrônica de potência convencional e WBG por meio do aumento da fabricação e do uso de ambos os tipos de semicondutores, enquanto promove o desenvolvimento de novos semicondutores energeticamente eficientes com baixo impacto ambiental.

Para alcançar esses objetivos, os EUA precisam desenvolver uma força de trabalho qualificada em território nacional tanto para semicondutores convencionais quanto para eletrônica de potência WBG.