Если говорить о самых консервативных оценках, то текущая ситуация с поставками 8-дюймовых (200-мм) кремниевых пластин довольно сложная!

Однако это отнюдь не новая проблема. Тайваньская компания TrendForce, занимающаяся исследованиями рынка, в ноябре 2020 года опубликовала пресс-релиз, в котором говорилось: «Что касается производственных мощностей по выпуску 8-дюймовых пластин, то с второй половины 2019 года наблюдается серьезная проблема дефицита предложения».

Кроме того, ситуацию усугубляет пожар, произошедший на заводе Renesas Electronics в Наке в марте 2021 года. Проблема осложняется тем, что завод Renesas здесь поставляет множество моделей.

Исходя из вышеизложенного, многие факторы взаимосвязаны. Однако само собой разумеется, что главной причиной является COVID-19. Из-за эпидемии COVID-19 резко возрос спрос на различные электронные товары, такие как наушники, компьютеры, телевизоры, экраны и мобильные телефоны.

Хотя автомобили также попадают в вышеуказанные категории, люди все еще надеются, что автомобильный рынок оправится от тени эпидемии нового коронавируса в 2021 году. В настоящее время различные продукты продвигают модель SoC (System on Chip), которая объединяет множество функций в одном устройстве. Поэтому многие продукты нуждаются в оснащении несколькими микросхемами со смешанными цифро-аналоговыми сигналами (микросхемами смешанных сигналов). Основные области применения вышеуказанных продуктов следующие: PMIC (микросхемы управления питанием), CMOS-датчики изображения, датчики распознавания отпечатков пальцев, системы управления двигателем/шасси автомобиля, микросхемы драйверов дисплея, микросхемы беспроводной связи с частотой ниже гигагерц и т. д. В обычных условиях вышеперечисленные продукты подходят для 180-нм и 350-нм техпроцессов и производятся на 8-дюймовых кремниевых пластинах.

То есть, растущий спрос на продукцию, используемую в этом типе микросхем смешанных сигналов (Mixed Signal Chip) и силовых полупроводниках, привел к недостаточной производственной мощности по выпуску 8-дюймовых пластин.

В связи с ограничениями поставок 8-дюймовых пластин, литейное предприятие, вероятно, расширит свои производственные мощности. Предприятие может приобрести оборудование и производственные линии для 8-дюймовых пластин у вертикально интегрированного производителя (IDM: Integrated Device Manufacturer). В качестве примеров можно привести следующие: Недавние сообщения указывают на то, что тайваньская компания UMC обсуждает приобретение производственной линии для 8-дюймовых пластин у Japan Semiconductor (ранее Toshiba, занимавшейся производством полупроводников).

Производитель не указан
Как отмечается в отчете Trend Force, причиной серьезного дефицита полупроводников, начавшегося во второй половине 2019 года, является то, что практически ни один производитель не может выпускать оборудование для производства 8-дюймовых пластин даже сейчас, поэтому цены на оборудование для производства полупроводников продолжают расти.    

Компания TSMC использует технологические процессы для производства 8-дюймовых и 12-дюймовых кремниевых пластин. (Изображение взято с сайта eetimes)Кроме того, цена 8-дюймовых пластин значительно ниже, чем 12-дюймовых. Поэтому литейные заводы в целом считают, что расширение производственных мощностей по выпуску 8-дюймовых пластин менее выгодно с точки зрения затрат. В результате произошла цепная реакция. Например, некоторые заводы повысили цены на 8-дюймовые пластины для своих клиентов.  
Иными словами, что касается ситуации с 8-дюймовыми пластинами, то лучше сказать, что она характеризуется «недостаточным предложением со стороны производителей», а не «хаосом в цепочке поставок». Часть 12-дюймовых пластин «перемещена».
Что касается предприятий по производству 12-дюймовых (300-мм) кремниевых пластин, то различные компании, представленные TSMC и GLOBALFOUNDRIES, активно инвестируют в расширение производственных мощностей. Однако в отношении 8-дюймовых пластин улучшений не наблюдается.  
Поскольку производственные мощности по выпуску 8-дюймовых пластин не улучшились, некоторые производители переходят с существующих линий по выпуску 180-нм и 350-нм 8-дюймовых пластин на 12-дюймовые пластины. Кроме того, многие литейные заводы могут обеспечить производство 130-нм микросхем на 12-дюймовых пластинах, поэтому их можно использовать в качестве вторичных или первичных источников поставок. Таким образом, это способствует повышению географической диверсификации цепочки поставок. Характеристики 180-нм и 130-нм технологических процессов
Хотя 180-нм и 130-нм технологические процессы имеют сходства, между ними есть и различия. Основная причина заключается в разной степени падения порогового напряжения транзистора. Напряжение питания ядра составляет от 1.8 В до 1.5 В или даже 1.2 В. Кроме того, существуют различные технологические решения, поддерживающие напряжения ввода-вывода 5 В/3.3 В, и эти характеристики процесса очень схожи для пассивных компонентов, которые чрезвычайно важны для аналоговых/ВЧ-схем.    

Сравнительная таблица основных технологических узлов, используемых в интегральных схемах смешанных сигналов (ASIC) и других продуктах. (Изображение взято с сайта eetimes)

Технология 12-дюймовых кремниевых пластин имеет ряд преимуществ. Поскольку вместо алюминия, используемого в технологиях предыдущего поколения, можно применять медь, допустимая плотность тока также выше, а сопротивление электромиграции превосходное. Кроме того, используется больше металлических слоев, и размер транзисторов меньше. Таким образом, за счет увеличения плотности транзисторов и плотности проводников можно уменьшить размер кристалла и повысить его производительность.  
Кроме того, большинство 180-нм технологических процессов и большинство 130-нм BCD (биполярных CMOS-DMOS) технологических процессов поддерживают такие функции, как STI (изоляция с помощью неглубоких траншей). Поэтому, по сравнению с изоляцией LOCOS (локальное окисление кремния), используемой в большинстве 350-нм технологий, можно получить более высокую плотность размещения, функции защиты от защелкивания и т.д. Таким образом, достигается эффект улучшения характеристик и стабильности линий.  
Сегодня 130-нм BCD-технология достаточно зрелая и поэтому может использоваться в качестве опции для различных технологических процессов. Например, для транзисторов с разным уровнем напряжения, энергонезависимых полупроводников, MIM-конденсаторов (металл-изолирующая пленка-металл), стабилитронов/диодов Шоттки и т. д. Таким образом, в решения SoC можно интегрировать не только сложные аналоговые/радиочастотные функции, но и получить другие преимущества. 8-дюймовые пластины также обладают множеством преимуществ.
8-дюймовые кремниевые пластины также обладают множеством преимуществ. Например, ценовое преимущество 8-дюймовых пластин, изготовленных по 350-нанометровой технологии.  
Причины следующие: производственное оборудование устарело, а производственный процесс относительно прост (меньше слоев). Кроме того, некоторые аналоговые схемы могут быть не поддаваться успешной миниатюризации в новом процессе, поэтому цена полупроводникового чипа того же уровня, что и 130 нм, может быть выше, чем цена чипа, изготовленного по технологии 350 нм. Однако, когда производство продукта невозможно из-за нехватки комплектующих, в большинстве случаев возникает крайне серьезная ситуация, а не просто разница в стоимости полупроводниковых чипов.  
Кроме того, на данном этапе внимание сосредоточено на том, что, хотя различные литейные предприятия переходят с 8-дюймовых схем на 12-дюймовые, ни один производитель пока не сделал никаких заявлений. Хотя производители, специализирующиеся на ASIC-микросхемах смешанного сигнала, прилагают все усилия, им следует сначала заняться разработкой схем и технической документацией микросхем.  
Что касается инвестиций, необходимых для перепроектирования ASIC, то следует скоординировать работу с другими продуктами, чтобы избежать тех же проблем, что и в цепочке поставок 8-дюймовых микросхем.  
Благодаря 130-нм техпроцессу размер кристалла меньше, его можно интегрировать с ядрами серии "Arm Cortex-M" без увеличения стоимости. Площадь кристалла, необходимая для процессоров низкого класса, составляет всего несколько квадратных миллиметров, и его можно с высокой эффективностью интегрировать с 64-килобитной/128-килобитной SRAM.  
Судя по сегодняшним техническим характеристикам, процесс проектирования ASIC, серийного производства и получения сертификации занимает от 14 до 24 месяцев (в зависимости от сложности). Первоначальный прототип кремниевого кристалла должен быть завершен в течение года. Если это автомобильная продукция, то от разработки спецификаций до PPAP (процесс утверждения производственной части) проходит от 24 до 36 месяцев (в зависимости от сложности). Общий бюджет на 130-нм ASIC начинается от 600 000 долларов США (в зависимости от фактической сложности и содержания IP-блоков). Если исходить из стандарта AEC-Q100, стоимость составляет около 4 миллионов долларов США. Сегодня стоимость оснастки для 130-нм техпроцесса (12-дюймовая пластина) составляет менее 200 000 долларов США, что составляет небольшую долю от общей стоимости.  
Многие устройства смешанного сигнала производятся из 8-дюймовых кремниевых пластин, которых сейчас не хватает. Из-за недостаточных инвестиций в линии по производству 8-дюймовых пластин (в связи с низкой окупаемостью инвестиций) проблемы с цепочкой поставок будут сохраняться и в будущем.  
 

Этот дефицит полупроводников в некоторой степени является «предупреждением». Компаниям, которые в настоящее время используют 8-дюймовые пластины, следует в первую очередь учитывать будущий спрос. Кроме того, независимо от того, является ли это основная производственная база или второй поставщик (Second Source), необходимо обеспечить достаточное время для завершения всех производственных процессов.

Отказ от ответственности: Данная статья воспроизведена из издания "Semiconductor Industry Observation". Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения компании Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение предназначены исключительно для защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.