Om voorzichtig te zijn, de huidige situatie in de toeleveringsketen voor 8-inch (200mm) wafers is behoorlijk ernstig!

Dit is echter geenszins een nieuw probleem. TrendForce, een marktonderzoeksbureau in Taiwan, publiceerde in november 2020 een persbericht waarin stond: "Wat de productiecapaciteit van 8-inch wafers betreft, is er sinds de tweede helft van 2019 een ernstig tekort aan aanbod."

Bovendien brak er in maart 2021 brand uit in de Renesas Electronics-fabriek in Naka, wat de situatie nog verergerde doordat de Renesas-fabriek hier veel verschillende modellen levert.

Op basis van bovenstaande achtergrond zijn veel factoren met elkaar verweven. Het spreekt echter voor zich dat de belangrijkste oorzaak COVID-19 is. Door de COVID-19-epidemie is de vraag naar diverse elektronische producten zoals koptelefoons, computers, televisies, beeldschermen en mobiele telefoons enorm gestegen.

Hoewel auto's ook onder de bovengenoemde categorieën vallen, hoopt men nog steeds dat de automarkt zich in 2021 zal herstellen van de gevolgen van de coronapandemie. Tegenwoordig promoten diverse producten het SoC-model (System on Chip), dat meerdere functies in één integreert. Daarom moeten veel producten worden uitgerust met meerdere IC's met digitale-analoge gemengde signalen (Mixed Signal Chip). De belangrijkste toepassingen van deze producten zijn: PMIC (Power Management IC), CMOS-beeldsensor, vingerafdruksensor, motor-/chassisbesturing voor auto's, displaydriver-IC, draadloze communicatiechip met een frequentiebereik van minder dan 1 gigahertz, enzovoort. Onder normale omstandigheden zijn deze geschikt voor 180nm- en 350nm-processen en worden ze geproduceerd op 8-inch wafers.

Dat wil zeggen dat de groeiende vraag naar producten die worden gebruikt in dit type mixed-signal chips (Mixed Signal Chips) en vermogenshalfgeleiders heeft geleid tot een ontoereikende productiecapaciteit van 8-inch wafers.

Door de beperkte beschikbaarheid van 8-inch wafers zal de chipfabrikant waarschijnlijk zijn productiecapaciteit uitbreiden. De fabrikant zou de productieapparatuur en -lijnen voor 8-inch wafers van een verticaal geïntegreerde fabrikant (IDM: Integrated Device Manufacturer) kunnen overnemen. Een voorbeeld hiervan is de recente publicatie dat UMC in Taiwan de overname van de 8-inch productielijn van Japan Semiconductor (voorheen Toshiba's halfgeleiderfabrikant) bespreekt.

Geen fabrikant opgegeven
Zoals het rapport van Trend Force al aangaf, is de reden voor het ernstige tekort aan halfgeleiders dat in de tweede helft van 2019 begon, dat vrijwel geen enkele fabrikant, zelfs nu nog, apparatuur voor de productie van 8-inch wafers kan produceren. Daardoor blijven de prijzen van halfgeleiderproductieapparatuur stijgen.    

TSMC gebruikt waferprocessen van 8 inch en 12 inch. (Afbeelding van: eetimes)Daarnaast is de prijs van 8-inch wafers veel lager dan die van 12-inch wafers. Daarom zijn gieterijen over het algemeen van mening dat het uitbreiden van de productiecapaciteit voor 8-inch wafers minder kosteneffectief is. Dit leidde tot een reeks kettingreacties. Zo verhoogden sommige gieterijen bijvoorbeeld de prijs van 8-inch wafers voor hun klanten.  
Met andere woorden, wat de situatie met de 8-inch wafers betreft, kan men beter spreken van "onvoldoende aanbod van fabrikanten" in plaats van "chaos in de toeleveringsketen". Een deel van de 12-inch wafers is "verplaatst".
Wat betreft de productie van 12-inch (300 mm) wafers, investeren diverse bedrijven, waaronder TSMC en GLOBALFOUNDRIES, enthousiast in de uitbreiding van hun productiecapaciteit. Voor 8-inch wafers zijn echter geen verbeteringen te zien.  
Omdat de productiecapaciteit van 8-inch wafers niet is verbeterd, schakelen sommige fabrikanten over van hun bestaande 180nm- en 350nm-productielijnen voor 8-inch wafers naar 12-inch wafers. Bovendien kunnen veel gieterijen 130nm-processen produceren op 12-inch wafers, waardoor ze als secundaire of primaire leveranciers kunnen dienen. Dit draagt ​​bij aan een grotere geografische spreiding van de toeleveringsketen. Kenmerken van 180nm- en 130nm-procestechnologie
Hoewel de 180nm- en 130nm-processen op elkaar lijken, zijn er ook verschillen. De belangrijkste reden hiervoor is dat de drempelspanning van de transistor in verschillende mate daalt. De voedingsspanning van de kern bedraagt ​​1.8V tot 1.5V, of zelfs maar 1.2V. Daarnaast zijn er diverse procestechnologieën beschikbaar die 5V/3.3V I/O-spanningen ondersteunen, en deze proceseigenschappen zijn zeer vergelijkbaar voor passieve componenten die cruciaal zijn voor analoge/RF-ontwerpen.    

Vergelijkende grafiek van de belangrijkste knooppunttechnologieën die worden gebruikt in Mixed Signal ASIC's en andere producten. (Afbeelding van: eetimes)

12-inch wafertechnologie heeft verschillende voordelen. Doordat koper in plaats van aluminium kan worden gebruikt, zoals bij oudere technologieën, is de toelaatbare stroomdichtheid hoger en de weerstand tegen elektromigratie uitstekend. Bovendien zijn er meer metaallagen en is de transistorgrootte kleiner. Door de transistordichtheid en de bedradingsdichtheid te verhogen, kan de chipgrootte worden verkleind en de prestaties worden verbeterd.  
Bovendien ondersteunen de meeste 180nm-procestechnologieën en de meeste 130nm BCD-procestechnologieën (Bipolar-CMOS-DMOS) functies zoals STI (Shallow Trench Isolation). Daardoor kunnen, vergeleken met de LOCOS-isolatie (Local Oxidation of Silicon) die in de meeste 350nm-technologieën wordt gebruikt, hogere dichtheid, latch-up-beschermingsfuncties, enzovoort worden verkregen. Dit leidt tot een verbetering van de lijnprestaties en -stabiliteit.  
Het 130nm BCD-proces is tegenwoordig behoorlijk volwassen en kan daarom als optie worden gebruikt voor diverse procestechnologieën. Denk hierbij aan verschillende niveaus van hoogspanningstransistors, niet-vluchtige opslaghalfgeleiders, MIM-condensatoren (metaal-isolerende film-metaal), Zenerdiodes/Schottky-diodes, enzovoort. Hierdoor kunnen niet alleen complexe analoge/RF-functies worden geïntegreerd in SoC-oplossingen, maar worden ook andere voordelen geboden. 8-inch wafers hebben bovendien veel voordelen.
8-inch wafers hebben ook veel voordelen. Bijvoorbeeld het prijsvoordeel van 8-inch wafers die geproduceerd worden met een resolutie van 350 nanometer.  
De redenen hiervoor zijn als volgt: de productieapparatuur is verouderd en het productieproces is relatief eenvoudig (minder lagen). Bovendien kunnen sommige analoge circuits mogelijk niet succesvol worden geminiaturiseerd met het nieuwe proces, waardoor de prijs van een halfgeleiderchip van hetzelfde niveau als 130 nm hoger kan liggen dan die van 350 nm. Wanneer een product echter niet geproduceerd kan worden vanwege een tekort aan onderdelen, ontstaat er in de meeste gevallen een zeer ernstige situatie, en niet slechts een simpel prijsverschil tussen halfgeleiderchips.  
Daarnaast ligt de focus op dit moment op het feit dat, hoewel verschillende chipfabrikanten overstappen van 8 inch naar 12 inch, geen enkele fabrikant hierover een officiële verklaring heeft afgelegd. Hoewel fabrikanten die gespecialiseerd zijn in Mixed Signal ASIC's hard werken, zouden ze zich eerst moeten richten op de poorten in het schakelschema en het datasheet van de IC.  
Wat betreft de investering die nodig is om de ASIC opnieuw te ontwerpen, moeten andere producten worden gecoördineerd om dezelfde problemen als in de toeleveringsketen van de 8-inch processor te voorkomen.  
De 130nm-chipgrootte is kleiner, waardoor deze zonder extra kosten geïntegreerd kan worden met de "Arm Cortex-M"-processorkernen. De benodigde chipoppervlakte voor een low-end CPU bedraagt ​​slechts enkele vierkante millimeters, en het is mogelijk om deze met een hoog rendement te integreren met 64 kbit/128 kbit SRAM.  
Op basis van de huidige gegevens duurt het hele proces, van het ontwerpen van de ASIC tot massaproductie en certificering, 14 tot 24 maanden (afhankelijk van de complexiteit). Het eerste prototype (Proto Type Silicon) moet binnen een jaar gereed zijn. Voor automotive producten duurt het ongeveer 24 tot 36 maanden (afhankelijk van de complexiteit) van het opstellen van de specificaties tot PPAP (Production Part Approval Process, oftewel goedkeuring van het productieonderdeel). Het algemene budget voor een 130nm ASIC begint bij US$ 600,000 (afhankelijk van de werkelijke complexiteit en de hoeveelheid IP). Gebaseerd op AEC-Q100 bedragen de kosten ongeveer US$ 4 miljoen. De kosten van de maskeermachine voor het 130nm proces (12-inch wafer) bedragen momenteel minder dan US$ 200,000, wat een klein deel van de totale kosten uitmaakt.  
Veel mixed-signal componenten worden geproduceerd met behulp van 8-inch wafers, die schaars zijn. Door onvoldoende investeringen in productielijnen voor 8-inch wafers (vanwege het lage rendement op investeringen) zullen er in de toekomst problemen in de toeleveringsketen blijven bestaan.  
 

Dit tekort aan halfgeleiders is in zekere zin een waarschuwing. Bedrijven die momenteel 8-inch wafers gebruiken, moeten eerst rekening houden met de toekomstige vraag. Bovendien moet er, of het nu de belangrijkste productielocatie of de tweede leverancier (Second Source) betreft, voldoende tijd worden ingepland voordat alle processen zijn afgerond.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen uit "Semiconductor Industry Observation". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de industrie. Het is alleen bedoeld voor herpublicatie en verspreiding ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen