Pour être prudent, la situation actuelle de la chaîne d'approvisionnement des plaquettes de 8 pouces (200 mm) est assez grave !

Cependant, ce problème est loin d'être nouveau. TrendForce, une société d'études de marché taïwanaise, a publié un communiqué de presse en novembre 2020 indiquant : « En termes de capacité de production de plaquettes de 8 pouces, un grave problème de pénurie d'approvisionnement persiste depuis le second semestre 2019. »

De plus, pour ne rien arranger, un incendie s'est déclaré dans l'usine Renesas Electronics de Naka en mars 2021. Le problème est aggravé par le fait que cette usine fournit de nombreux modèles.

Compte tenu de ce qui précède, de nombreux facteurs sont étroitement liés. Toutefois, il va sans dire que la principale raison est la COVID-19. En raison de l'épidémie de COVID-19, la demande pour divers produits électroniques tels que les casques audio, les ordinateurs, les téléviseurs, les écrans et les téléphones portables a explosé.

Bien que les voitures fassent également partie des catégories mentionnées ci-dessus, on espère toujours que le marché automobile se remettra de l'impact de la pandémie de COVID-19 en 2021. Actuellement, de nombreux produits privilégient le modèle SoC (System on Chip) qui intègre plusieurs fonctions. Par conséquent, de nombreux produits nécessitent plusieurs circuits intégrés à signaux mixtes (Mixed Signal Chip). Parmi les principales applications de ces produits, on trouve : les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC), les capteurs d'image CMOS, les capteurs de reconnaissance d'empreintes digitales, les systèmes de contrôle moteur/châssis automobile, les circuits intégrés de pilotage d'affichage, les puces de communication sans fil sub-gigahertz, etc. En temps normal, ces composants sont compatibles avec les procédés de gravure de 180 nm et 350 nm et sont produits sur des plaquettes de 8 pouces.

Autrement dit, la demande croissante de produits utilisés dans ce type de puce à signaux mixtes (Mixed Signal Chip) et de semi-conducteurs de puissance a conduit à une capacité de production insuffisante de plaquettes de 8 pouces.

Face à la pénurie de plaquettes de 8 pouces, la fonderie devrait accroître sa capacité de production. Elle pourrait notamment acquérir les équipements et lignes de production de plaquettes de 8 pouces des fabricants verticalement intégrés (IDM). À titre d'exemple, des informations récentes indiquent que UMC, à Taïwan, discute de l'acquisition de la ligne de production de plaquettes de 8 pouces de Japan Semiconductor (anciennement la filiale de fabrication de semi-conducteurs de Toshiba).

Aucun fabricant fourni
Comme le souligne le rapport de Trend Force, la grave pénurie d'approvisionnement en semi-conducteurs qui a débuté au cours du second semestre 2019 s'explique par le fait que presque aucun fabricant n'est capable de produire des équipements pour plaquettes de 8 pouces, même aujourd'hui, ce qui entraîne une hausse continue du prix des équipements de production de semi-conducteurs.    

TSMC utilise des procédés de fabrication sur plaquettes de 8 et 12 pouces. (Photo : eetimes)De plus, le prix des plaquettes de 8 pouces est bien inférieur à celui des plaquettes de 12 pouces. Par conséquent, les fonderies estiment généralement qu'augmenter leur capacité de production de plaquettes de 8 pouces est moins rentable. Il en résulte une série de réactions en chaîne. Par exemple, certaines fonderies ont augmenté le prix des plaquettes de 8 pouces pour leurs clients.  
En d'autres termes, concernant la situation des plaquettes de 8 pouces, il est plus juste de parler d'une « insuffisance de fabricants » plutôt que d'un « chaos dans la chaîne d'approvisionnement ». Une partie de la production de plaquettes de 12 pouces est en cours de réorientation.
Concernant les fonderies de plaquettes de 12 pouces (300 mm), plusieurs entreprises, dont TSMC et GLOBALFOUNDRIES, investissent massivement pour accroître leurs capacités de production. En revanche, aucune amélioration n'est constatée pour les plaquettes de 8 pouces.  
Face à l'absence d'amélioration des capacités de production de plaquettes de 8 pouces, certains fabricants abandonnent leurs lignes de production existantes de 8 pouces (180 nm et 350 nm) au profit des plaquettes de 12 pouces. Par ailleurs, de nombreuses fonderies proposent des procédés 130 nm sur plaquettes de 12 pouces et peuvent ainsi servir de sources d'approvisionnement principales ou secondaires. Ceci contribue à diversifier la chaîne d'approvisionnement géographiquement. Caractéristiques des technologies de gravure 180 nm et 130 nm.
Bien que les procédés de gravure de 180 nm et 130 nm présentent des similitudes, ils comportent également des différences. La principale réside dans la chute de tension de seuil du transistor, qui varie. La tension d'alimentation du cœur est comprise entre 1.8 V et 1.5 V, voire peut descendre jusqu'à 1.2 V. Par ailleurs, diverses options de gravure permettent de prendre en charge les tensions d'E/S de 5 V/3.3 V. Ces caractéristiques de gravure sont très similaires pour les composants passifs, pourtant essentiels à la conception analogique et RF.    

Tableau comparatif des principales technologies de nœuds utilisées dans les circuits intégrés spécifiques à signaux mixtes et autres produits. (Image : eetimes)

La technologie des plaquettes de 12 pouces présente plusieurs avantages. L'utilisation du cuivre à la place de l'aluminium, présent dans les générations précédentes, permet d'atteindre une densité de courant admissible plus élevée et une excellente résistance à l'électromigration. De plus, le nombre de couches métalliques est plus important et la taille des transistors est réduite. Par conséquent, l'augmentation de la densité des transistors et de l'interconnexion permet de diminuer la taille de la puce et d'améliorer ses performances.  
De plus, la plupart des technologies de gravure à 180 nm et la plupart des technologies BCD (Bipolaire-CMOS-DMOS) à 130 nm prennent en charge des fonctions telles que l'isolation par tranchée peu profonde (STI). Par conséquent, comparées à l'isolation LOCOS (Oxydation locale du silicium) utilisée dans la plupart des technologies à 350 nm, elles permettent d'obtenir une densité plus élevée, des fonctions de protection contre le verrouillage, etc. Il en résulte une amélioration des performances et de la stabilité des lignes.  
Aujourd'hui, le procédé BCD 130 nm est bien établi et peut donc être utilisé comme alternative à diverses technologies de fabrication. Il permet notamment la réalisation de transistors haute tension de différentes gammes, de semi-conducteurs de stockage non volatils, de condensateurs MIM (métal-film isolant-métal), de diodes Zener/Schottky, etc. Ainsi, il est possible d'intégrer des fonctions analogiques/RF complexes aux solutions SoC, tout en bénéficiant d'autres avantages. Les plaquettes de 8 pouces présentent également de nombreux atouts.
Les plaquettes de 8 pouces présentent également de nombreux avantages. Par exemple, un prix plus avantageux pour les plaquettes de 8 pouces fabriquées à 350 nanomètres.  
Les raisons sont les suivantes : le matériel de production est obsolète et le processus de fabrication est relativement simple (moins de couches). De plus, certains circuits analogiques pourraient ne pas être miniaturisés avec succès par le nouveau procédé ; le prix d’une puce semi-conductrice de même niveau de 130 nm pourrait donc être supérieur à celui d’une puce de 350 nm. Cependant, lorsqu’un produit ne peut être fabriqué en raison d’une pénurie de composants, il s’agit généralement d’une situation extrêmement grave, et non d’une simple différence de coût entre les puces semi-conductrices.  
De plus, à ce stade, l'attention se porte sur le fait que, malgré le passage de plusieurs fonderies du format 8 pouces au format 12 pouces, aucun fabricant ne s'est encore exprimé publiquement. Bien que les fabricants spécialisés dans les circuits intégrés spécifiques à signaux mixtes (ASIC) travaillent activement, ils devraient commencer par étudier les ports du schéma de circuit et la fiche technique du circuit intégré.  
En ce qui concerne l'investissement nécessaire pour repenser l'ASIC, d'autres produits devraient être coordonnés afin d'éviter les mêmes problèmes que ceux rencontrés avec la chaîne d'approvisionnement des écrans de 8 pouces.  
La finesse de gravure de 130 nm étant réduite, elle permet l'intégration des cœurs de la série « Arm Cortex-M » sans augmentation de coût. La surface de puce requise pour un processeur d'entrée de gamme n'est que de quelques millimètres carrés, et il est possible de l'intégrer avec une mémoire SRAM de 64 kbits/128 kbits à haut rendement.  
D'après la fiche technique actuelle, le délai entre la conception d'un ASIC, la production en série et l'obtention de la certification est de 14 à 24 mois (selon sa complexité). Le prototype initial en silicium devrait être finalisé sous un an. Pour un produit automobile, il faut compter environ 24 à 36 mois (selon sa complexité) entre l'élaboration des spécifications et l'approbation PPAP (Processus d'approbation des pièces de production). Le budget global pour un ASIC 130 nm débute à 600 000 USD (selon sa complexité et son contenu en propriété intellectuelle). Basé sur la norme AEC-Q100, le coût s'élève à environ 4 millions USD. Actuellement, le coût des masques pour le procédé 130 nm (plaquette de 12 pouces) est inférieur à 200 000 USD, ce qui représente une faible part du coût total.  
De nombreux dispositifs à signaux mixtes sont fabriqués à partir de plaquettes de 8 pouces, actuellement en pénurie. Faute d'investissements suffisants dans les lignes de production de ces plaquettes (en raison d'un faible retour sur investissement), les problèmes d'approvisionnement persisteront.  
 

Cette pénurie de semi-conducteurs constitue, dans une certaine mesure, un signal d'alarme. Les entreprises utilisant actuellement des plaquettes de 8 pouces devraient anticiper la demande future. De plus, qu'il s'agisse du site de production principal ou du fournisseur secondaire, il est essentiel de prévoir un délai suffisant avant la finalisation de l'ensemble des processus.

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