Para sermos conservadores, a situação atual da cadeia de suprimentos para wafers de 8 polegadas (200 mm) é bastante crítica!

No entanto, esse não é um problema novo. A TrendForce, uma empresa de pesquisa de mercado de Taiwan, divulgou um comunicado à imprensa em novembro de 2020 afirmando: "Em termos de capacidade de produção de wafers de 8 polegadas, há um sério problema de escassez de oferta desde o segundo semestre de 2019."

Além disso, para piorar a situação, um incêndio deflagrou na fábrica da Renesas Electronics em Naka, em março de 2021. O problema é agravado pelo facto de a fábrica da Renesas nesta cidade fornecer muitos modelos.

Com base no contexto acima, muitos fatores estão interligados. No entanto, é evidente que o principal motivo é a COVID-19. Devido à pandemia de COVID-19, a demanda por diversos produtos eletrônicos, como fones de ouvido, computadores, TVs, monitores e celulares, aumentou consideravelmente.

Embora os carros também se enquadrem nas categorias acima, ainda há esperança de que o mercado automotivo se recupere da crise causada pela pandemia de COVID-19 em 2021. Atualmente, diversos produtos estão adotando o modelo SoC (System on Chip), que integra múltiplas funções em um único dispositivo. Portanto, muitos produtos necessitam de múltiplos circuitos integrados (CIs) com sinais mistos digitais e analógicos (chips de sinal misto). Os principais usos desses produtos são: PMIC (circuito integrado de gerenciamento de energia), sensor de imagem CMOS, sensor de reconhecimento de impressões digitais, controle de motor/chassi automotivo, circuito integrado de driver de display, chip de comunicação sem fio sub-gigahertz, etc. Em circunstâncias normais, esses componentes são adequados para processos de 180 nm e 350 nm e produzidos em wafers de 8 polegadas.

Ou seja, a crescente demanda por produtos usados ​​nesse tipo de chip de sinal misto (Mixed Signal Chip) e semicondutores de potência levou à insuficiência da capacidade de produção de wafers de 8 polegadas.

Devido à limitação de oferta de wafers de 8 polegadas, a fundição provavelmente expandirá sua capacidade de produção. A fundição poderá adquirir os equipamentos e linhas de produção de wafers de 8 polegadas de fabricantes verticalmente integrados (IDM: Integrated Device Manufacturer). Um exemplo disso é o recente relatório que indica que a UMC, em Taiwan, está em negociações para adquirir a linha de produção de wafers de 8 polegadas da Japan Semiconductor (antiga divisão de semicondutores da Toshiba).

Nenhum fabricante forneceu.
Conforme apontado no relatório da Trend Force, a razão para a grave escassez de semicondutores que começou no segundo semestre de 2019 é que praticamente nenhum fabricante consegue produzir equipamentos para wafers de 8 polegadas, mesmo agora, fazendo com que o preço dos equipamentos de produção de semicondutores continue subindo.    

A TSMC utiliza processos de fabricação de wafers de 8 e 12 polegadas. (Imagem de: eetimes)Além disso, o preço dos wafers de 8 polegadas é muito menor do que o dos wafers de 12 polegadas. Portanto, as fundições geralmente acreditam que expandir a capacidade de produção de wafers de 8 polegadas é menos rentável. Como resultado, ocorreu uma série de reações em cadeia. Por exemplo, algumas fundições aumentaram o preço dos wafers de 8 polegadas para os clientes.  
Em outras palavras, no que diz respeito à situação dos wafers de 8 polegadas, é mais preciso dizer que ela é caracterizada por "insuficiência de fornecimento por parte dos fabricantes" do que por um "caos na cadeia de suprimentos". Parte dos wafers de 12 polegadas está sendo "deslocada".
No que diz respeito às fábricas de wafers de 12 polegadas (300 mm), várias empresas, representadas pela TSMC e pela GLOBALFOUNDRIES, estão investindo fortemente na expansão da capacidade de produção. No entanto, não se observam melhorias para os wafers de 8 polegadas.  
Como não houve melhoria na capacidade de produção de wafers de 8 polegadas, alguns fabricantes estão migrando de suas linhas de produção de 180 nm e 350 nm para wafers de 12 polegadas. Além disso, muitas fundições podem fornecer processos de 130 nm produzidos em wafers de 12 polegadas, podendo ser utilizadas como fontes de suprimento primárias ou secundárias. Portanto, isso contribui para melhorar a diversificação geográfica da cadeia de suprimentos. Características das tecnologias de processo de 180 nm e 130 nm.
Embora os processos de 180 nm e 130 nm sejam semelhantes, também apresentam diferenças. A principal delas reside na queda de tensão de limiar do transistor, que varia de 1.8 V a 1.5 V, podendo chegar a 1.2 V. Além disso, existem diversas opções de tecnologia de processo que suportam tensões de E/S de 5 V/3.3 V, e essas características de processo são muito semelhantes para componentes passivos, que são extremamente importantes para projetos analógicos/de RF.    

Tabela comparativa das principais tecnologias de nós utilizadas em ASICs de sinal misto e outros produtos. (Imagem de: eetimes)

A tecnologia de wafers de 12 polegadas apresenta diversas vantagens. Como o cobre pode ser usado em vez do alumínio presente em tecnologias de gerações anteriores, a densidade de corrente admissível também é maior e a resistência à eletromigração é excelente. Além disso, há mais camadas metálicas e o tamanho dos transistores é menor. Portanto, ao aumentar a densidade de transistores e a densidade de interconexões, o tamanho do chip pode ser reduzido e o desempenho aprimorado.  
Além disso, a maioria das tecnologias de processo de 180 nm e a maioria das tecnologias de processo BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) de 130 nm podem suportar funções como STI (Isolamento de Trincheira Rasa). Portanto, em comparação com o isolamento LOCOS (Oxidação Local de Silício) usado na maioria das tecnologias de 350 nm, é possível obter maior densidade, funções de proteção contra travamento (latch-up), etc. Consequentemente, o efeito de melhoria no desempenho e na estabilidade da linha é alcançado.  
Atualmente, o processo BCD de 130 nm está bastante maduro e, portanto, pode ser utilizado como opção para diversas tecnologias de processo. Isso inclui transistores de alta tensão de diferentes níveis, semicondutores de armazenamento não volátil, capacitores MIM (metal-filme isolante-metal), diodos Zener/Schottky, etc. Assim, não só é possível integrar funções analógicas/RF complexas com soluções SoC, como também obter outros benefícios. Os wafers de 8 polegadas também apresentam muitas vantagens.
Os wafers de 8 polegadas também apresentam muitas vantagens. Por exemplo, a vantagem de preço dos wafers de 8 polegadas fabricados em 350 nanômetros.  
Os motivos são os seguintes: o equipamento de produção está obsoleto e o processo de produção é relativamente simples (menos camadas). Além disso, alguns circuitos analógicos podem não ser miniaturizados com sucesso no novo processo, portanto, o preço de um chip semicondutor do mesmo nível de 130 nm pode ser maior do que o de 350 nm. No entanto, quando um produto não pode ser produzido devido à escassez de componentes, na maioria dos casos ocorre uma situação extremamente grave, e não uma simples diferença de custo entre os chips semicondutores.  
Além disso, o foco neste momento é que, embora várias fundições estejam migrando de 8 polegadas para 12 polegadas, nenhum fabricante se pronunciou oficialmente sobre o assunto. Apesar de fabricantes especializados em ASICs de sinal misto estarem se esforçando, eles deveriam começar analisando as portas do diagrama de circuito e a folha de dados do CI.  
Em termos do investimento necessário para redesenhar o ASIC, outros produtos devem ser coordenados para evitar os mesmos problemas que a cadeia de suprimentos de 8 polegadas.  
A dimensão de 130 nm é menor, permitindo a integração com os núcleos da série "Arm Cortex-M" sem aumento de custo. A área do chip necessária para CPUs de baixo custo é de apenas alguns milímetros quadrados, possibilitando a integração de SRAM de 64 kbit/128 kbit com alta eficiência.  
Com base na ficha técnica atual, o cronograma desde o projeto do ASIC, passando pela produção em massa e obtenção da certificação, leva de 14 a 24 meses (dependendo da complexidade). O protótipo inicial de silício deve ser concluído em um ano. Se for um produto automotivo, leva de 24 a 36 meses (dependendo da complexidade) desde a definição das especificações até a aprovação do PPAP (Processo de Aprovação de Peças de Produção). O orçamento geral para um ASIC de 130 nm começa em US$ 600,000 (dependendo da complexidade e do conteúdo de propriedade intelectual). Se baseado no padrão AEC-Q100, o custo é de aproximadamente US$ 4 milhões. Atualmente, o custo da ferramenta de máscara para o processo de 130 nm (wafer de 12 polegadas) é inferior a US$ 200,000, representando uma pequena parcela do custo total.  
Muitos dispositivos de sinal misto são fabricados a partir de wafers de 8 polegadas, que estão em falta. Devido ao investimento insuficiente em linhas de produção de wafers de 8 polegadas (devido ao baixo retorno do investimento), os problemas na cadeia de suprimentos continuarão a existir no futuro.  
 

Essa escassez no fornecimento de semicondutores serve, em certa medida, como um alerta. As empresas que atualmente utilizam wafers de 8 polegadas devem considerar, em primeiro lugar, a demanda futura. Além disso, seja na base de produção principal ou em um segundo fornecedor (Second Source), é necessário garantir tempo suficiente antes da conclusão de todos os processos.

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