Рост производственных мощностей 8-дюймовых полупроводников третьего поколения FABss

Обзор

Кремниевые пластины обеспечивают основу для производства многих современных полупроводниковых изделий, которые, в свою очередь, создают основу для формирования полупроводниковой промышленности. В течение нескольких лет наблюдается постепенное изменение размера и диаметра кремниевых пластин. В конечном итоге это приводит к новой волне дискуссий о выходе за пределы нынешнего размера пластин, главным образом из-за растущего спроса на передовые полупроводниковые изделия, прежде всего как средство увеличения темпов производства новых полупроводниковых FAB и OSAT. В настоящее время большинство FAB и OSAT уделяют внимание пластинам диаметром 200 мм (7,9/8 дюйма), при этом небольшое количество концентрируется на пластинах диаметром 300 мм (11,8/12 дюйма). В конце концов, выбор размера пластины обусловлен скорее инвестициями и стратегией, чем техническими аспектами. Это связано с тем, что каждое изменение размера пластины влияет на весь сквозной поток полупроводников.

Потребность в емкости 200 мм растет в связи с развитием спроса на Интернет вещей (IoT), мобильные и автомобильные приложения. Эти приложения возрождают производство диаметром 200 мм и вызывают потребность в таких компонентах, как силовые, аналоговые, МЭМС и датчики. Они не требуют передовых производственных процессов. Различные производители интегрированных устройств (IDM) переходят на производство 8-дюймовых пластин для полупроводников третьего поколения, включая GaN и SiC.

Влияние размера пластины на полупроводниковую промышленность

Ключевым фактором, определяющим конструкцию FAB и OSAT, является размер пластины. Основная причина заключается в том, что необходимые инструменты и оборудование зависят от размера пластины, и по мере увеличения размера пластины растут и затраты на создание дополнительных FAB и OSAT. По этой причине очень важно выбрать подходящий размер пластины. Выбор размера пластины в конечном итоге является скорее стратегическим и инвестиционным, чем техническим. Это связано с тем, что каждое изменение размера пластины влияет на поток полупроводника от начала до конца.

Приведенные ниже пункты однозначно демонстрируют, как размер пластины влияет на некоторые аспекты полупроводникового процесса. При определении того, какой размер пластины будет использоваться для создания продукта следующего поколения, необходимо учитывать ряд факторов: от стоимости до выхода.

Рисунок 1. Факторы, учитываемые при определении размеров пластин

Размер вафли: Большее количество кристаллов на единицу площади, несомненно, обеспечивается за счет большего размера пластин. Большая площадь для создания большего количества штампов в конечном итоге позволяет FAB и OSAT изготавливать и тестировать/собирать больше штампов за определенный период. Это ускоряет темпы производства или сборки новых продуктов, а также может принести пользу цепочке поставок в некоторых случаях, когда размер пластин увеличивается.

Умирает на пластину: Количество кристаллов на пластину напрямую связано с размером пластины, поскольку это позволяет компаниям, занимающимся разработкой полупроводников, оценить величину снижения затрат. В конечном итоге, по сравнению с пластиной большего размера, пластина меньшего размера для продукта, пользующегося большим спросом, приведет к увеличению количества заказов на пластины. Таким образом, компаниям часто приходится уделять больше времени взвешиванию преимуществ и недостатков использования пластин с коммерческой точки зрения из-за этого тонкого баланса.

Процедура: Поскольку размер пластины считается наиболее важным параметром, предприятия по производству полупроводников должны заранее планировать и определять, какие размеры пластин они будут поддерживать в течение следующих пяти-десяти лет. Основное внимание уделяется затратам на настройку процесса, необходимого для каждого обновления размера пластины. Большинство полупроводниковых предприятий сосредоточили свое внимание на пластинах диаметром 200 мм (7,9/8 дюйма), поскольку они обеспечивают баланс как технических, так и деловых аспектов. Однако потребность в 300 мм (11,8/12 дюйма) вынуждает ФАБы и ОСАТ модернизироваться.

Расходы: Фактор стоимости также считается одним из наиболее важных факторов при разработке полупроводникового продукта, поскольку в нем преобладает размер пластины. Помимо стоимости пластины необходимо учитывать расходы FAB и OSAT. По сравнению с пластиной диаметром 300 мм (11,8/12 дюймов) стоимость производства и сборки полупроводниковых чипов, несомненно, будет ниже при использовании пластины диаметром 200 мм (7,9/8 дюйма). В конечном счете, ключевым моментом является создание запаса путем выбора подходящего размера пластины.

Урожай: Исторически доходность снижалась по мере увеличения размера пластины. Когда продукт изготавливается на пластине диаметром 200 мм (7,9/8 дюйма), а не на пластине диаметром 300 мм (11,8/12 дюйма), выход первой будет ниже. Конечный выход в конечном итоге будет сопоставимым, но по мере увеличения размеров пластин выход будет снижаться, главным образом потому, что для совершенствования полупроводникового процесса требуется больше времени. Этот процесс улучшается по мере того, как все больше продуктов используют пластины одного и того же размера, поскольку извлеченные уроки могут быть применены для увеличения общего выхода продукта. На конечный выход также сильно влияет обработка пластин, и по мере увеличения размера пластин становится все сложнее сократить количество этапов процесса из-за значительного количества кристаллов на данную площадь.

Рынок оборудования для производства полупроводников пережил значительный рост благодаря растущему спросу на полупроводниковые детали в электрических и гибридных транспортных средствах. Кроме того, рост в прогнозируемом периоде дополняется увеличением количества производственных мощностей для строительства ФАБ. Согласно анализу Data Bridge Market Research, прогнозируется, что рынок мирового рынка оборудования для производства полупроводников будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) на уровне 9,5% в период с 2022 по 2030 год.

Чтобы узнать больше об исследовании, посетите:https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-semiconductor-manufacturing-equipment-market

Выделите внимание к использованию чипов в различных приложениях

По данным SEMI, поскольку отрасль приближается к рекордному показателю в более чем 7,7 миллиона пластин в месяц (слов в минуту), производители полупроводников во всем мире, как ожидается, увеличат мощность 200-мм фабрик на 14% с 2023 по 2026 год, добавив 12 новых 200-миллиметровых FAB (исключая EPI). ).

Основными драйверами инвестиций в 200 мм являются энергетика и сложные полупроводники, которые необходимы для автомобильного, промышленного и потребительского секторов. Ожидается, что по мере роста использования электромобилей разработки в области инверторов силовых агрегатов и зарядных станций для электромобилей, в частности, будут способствовать увеличению емкости 200-миллиметровых пластин во всем мире. Растущее содержание чипов в электромобилях и желание сократить время зарядки способствуют расширению мощностей, даже несмотря на то, что поставки автомобильных чипов стабилизировались.

Чтобы удовлетворить будущий спрос, такие поставщики микросхем, как STMicroelectronics, Bosch, Fuji Electric, Infineon, Mitsubishi, Onsemi, Rohm и Wolfspeed, ускоряют реализацию своих проектов емкостью 200 мм.

В последние годы на мировом рынке силовых полупроводников SiC наблюдается значительный рост, поскольку одним из факторов является растущий спрос на силовую электронику в различных отраслях, таких как бытовая электроника, автомобилестроение и промышленность в развивающихся странах. В основном это связано с рядом преимуществ, включая компактный дизайн, упрощенную схему, способность выдерживать большие токи и напряжения. Согласно анализу Data Bridge Market Research, прогнозируется, что мировой рынок силовых полупроводников SiC будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) на уровне 9,5% в период с 2022 по 2030 год.

Чтобы узнать больше об исследовании, посетите:https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-sic-power-semiconductor-market

У производителей есть сильный стимул сокращать сроки выполнения заказов, учитывая высокий спрос на автомобили. Для зрелых FAB, производящих шести- и восьмидюймовые пластины и в основном используемых в различных автомобильных электронных блоках управления, это может оказаться сложной задачей. Эти пластины зачастую более старые и менее эффективные. Сроки производства можно сократить за счет повышения автоматизации и увеличения производства за счет новых объектов и установки инструментов, но даже на современных предприятиях внедрение этих стратегий сложно и требует много времени. Зрелые заводы могут принять более строгую и всеобъемлющую стратегию, которая концентрируется на четырех основных задачах для более быстрого увеличения производства: повышение общей эффективности оборудования (OEE), упреждающий контроль труда, снижение рисков в инфраструктуре и динамическое управление производительностью.

Согласно отчету SEMI 200mm Fab Outlook to 2026, производственные мощности по производству энергетических и автомобильных полупроводников увеличатся на 34% в период с 2023 по 2026 год. MEMS, Analogue и Foundry займут третье и четвертое места с показателями 8%, 6% и 8. %, соответственно, после микропроцессора/микроконтроллера (MPU/MCU) на 21%.

Региональная информация

Во время пика эпидемии COVID-19 в 2021 году США столкнулись с резким и серьезным дефицитом полупроводников. Этот дефицит сильно повлиял на многие крупные предприятия, включая бытовую электронику, бытовую технику, возобновляемые источники энергии и автомобили. Дефицит имел серьезные финансовые последствия; По оценкам Министерства торговли США, в этом году экономический рост США снизился почти на четверть триллиона долларов.

Помимо финансовых последствий, нехватка чипов выявила степень зависимости многих американских предприятий от полупроводников, производимых в Азии. Эпидемия была неприятным пробуждением, резким потрясением. Из-за значительной зависимости страны от полупроводников, производимых в Азии, экономика была подвержена непредвиденным событиям.

Закон о создании полезных стимулов для производства полупроводников и науки (Закон CHIPS) был принят в результате финансовых последствий. Закон о CHIPS и науке, который был подписан 9 августа 2022 года, выделяет около 53 миллиардов долларов США на развитие «американских исследований, разработок, производства и развития рабочей силы в области полупроводников», как говорится в новостном заявлении Белого дома. в то время.

Аналогичная стратегия была обнародована Европейским Союзом в апреле 2023 года. Европейский закон о чипах конкретно направлен на удвоение доли мирового рынка полупроводниковой промышленности с 10% до 20% к 2030 году путем выделения 43 миллиардов евро, или примерно 47 миллиардов долларов США, на 27 государств-членов.

В попытке получить большую независимость в производстве полупроводников Европа и США в настоящее время запускают масштабные строительные проекты по строительству собственных предприятий по производству полупроводников.

Например,

• В сентябре 2021 года Intel начала строительство двух дополнительных заводов по производству полупроводников, получивших обозначение Fab 52 и Fab 62, на своем участке в Окотилло в регионе Чандлер. Как только эти заводы будут завершены, у Intel будет шесть заводов на территории кампуса. Стоимость строительства двух зданий, которые, как ожидается, будут завершены в 2024 году, составит почти 20 миллиардов долларов США.
• Компания Rogue Valley Microdevices Inc. (Медфорд, Орегон), занимающаяся производством MEMS в чистом виде, приобрела коммерческое здание площадью 50 000 квадратных футов по адресу 2301 Commerce Drive, Палм-Бэй, Флорида, чтобы использовать его в качестве своего второго завода по микрообработке. МЭМС и сенсорные продукты будут поставляться с завода. Ожидается, что производство начнется в 2025 году, и на нем будут работать около 75 человек. Корпорация выделила 30 миллионов долларов США на капитальные затраты. Фабрика будет иметь мощность для производства 21 000 пластин в месяц и сможет работать с пластинами диаметром 200 и 300 мм.
• Чтобы предоставлять передовые услуги по производству полупроводников, TSMC, Robert Bosch GmbH, Infineon Technologies AG и NXP Semiconductors NV планировали совместно инвестировать в компанию European Semiconductor Manufacturing Company (ESMC) GmbH, расположенную в Дрездене, Германия. Строительство завода толщиной 300 мм компанией ESMC является важным шагом на пути к удовлетворению потребностей быстрорастущего автомобильного и промышленного секторов в будущем. TSMC будет владеть 70% предлагаемого совместного предприятия, при этом 10% акций будут принадлежать Bosch, Infineon и NXP до получения разрешений регулирующих органов и выполнения других требований. Ожидается, что в общей сложности будет инвестировано около 10 миллиардов евро, включая долговые займы, вливание акций и значительную поддержку со стороны правительства Германии и Европейского Союза. Ожидается, что производство начнется к концу 2027 года, и ESMC планирует начать строительство завода во второй половине 2024 года.
• В июне 2023 года Intel подписала соглашение с правительством Германии, которое приведет к крупнейшим иностранным инвестициям в истории страны. Соглашение предусматривает открытие завода по производству чипов Intel в Магдебурге, городе среднего размера в восточно-центральной Германии с населением около 230 000 человек, общей стоимостью более 30 миллиардов евро. Примерно треть инвестиций будет профинансировано правительством Германии. Эти выгоды будут проявляться в форме увеличения занятости, экономического стимулирования и влияния в важнейшем технологическом секторе. Ожидается, что строительство завода будет завершено к 2027 году. Ожидается, что завод обеспечит Германии большую доступность в сетях поставщиков и обеспечит более 3000 хорошо оплачиваемых рабочих мест.

Чтобы сделать экономику более устойчивой к будущим геополитическим кризисам, США и европейские страны укрепляют свои цепочки поставок и увеличивают количество чипов, производимых внутри страны.

Рисунок 2. Новая пропускная способность в эквиваленте 200 мм по регионам (2022–2025 гг.)

Источник: анализ DBMR.

Согласно анализу Data Bridge Market Research, Азиатско-Тихоокеанский регион занимает основную долю производственных мощностей диаметром 200 и 300 мм по сравнению с другими регионами, а именно Европой, Ближним Востоком и Америкой. В основном это связано с развитой инфраструктурой, значительным присутствием игроков на рынке, значительными инвестициями в исследования и разработки, а также строгими правительственными инициативами по внедрению, среди прочего. Более того, Азиатско-Тихоокеанский регион считается крупнейшим рынком полупроводников, в который входят такие страны, как Китай, Тайвань и Япония.

Рисунок 3. Предполагаемая доля рынка новых производственных мощностей диаметром 200 мм по регионам (2022–2025 гг.)

Источник: анализ DBMR.

Что касается производства, Китай по-прежнему является лидером, когда речь идет об инвестициях в расширение производства толщиной 300 мм, а также 200 и 150 мм. Основные энергетические компании IDM строят новые 300-мм линии или расширяют существующие. В экосистему входят такие компании, как Bosch, Toshiba, Infineon Technologies и Nexperia. В мире строится несколько линий диаметром 200 мм, а линии диаметром 150 мм преобразуются в линии диаметром 200 мм. Помимо этого, к производителям силовых IDM, претендующим на емкость 200 мм SiC, относятся Wolfspeed, Infineon Technologies, CRCC и другие.

Инициативы различных производителей по увеличению производственных мощностей

Ниже приведены некоторые стратегические инициативы, предпринятые различными производителями для увеличения производственных мощностей:

• В октябре 2023 года базирующаяся в материковом Китае компания J2 Semiconductor и Гонконгская корпорация научно-технических парков (HKSTP) подписали соглашение о создании центра исследований и разработок в Гонконгском научном парке и первого в Гонконге завода по производству 8-дюймовых пластин SiC. . J2 Semiconductor намерена начать коммерческое производство в ближайшие несколько лет, инвестировав в проект около 900 миллионов долларов США (6,9 миллиардов гонконгских долларов). План по созданию научно-исследовательского центра J2 Semiconductor в Научном парке будет способствовать развитию в Гонконге научно-исследовательских и передовых производственных возможностей полупроводниковых приборов третьего поколения. Компания стремится создать более 700 рабочих мест в Гонконге и достичь годовой производственной мощности в 240 000 пластин SiC к 2028 году. J2 Semiconductor предоставляет базовые технологии для производственного процесса, передовой дизайн микросхем и разработку полупроводниковой продукции. Вместе с экспертизой в Гонконг.
• В августе 2023 года Infineon планирует построить крупнейший 200-миллиметровый завод по производству SiC Power в Кулиме, Малайзия. К концу десятилетия этот объект принесет почти семь миллиардов евро дохода. Это ожидаемое расширение поддерживается обязательствами клиентов в размере около одного миллиарда евро в виде предоплаты и пяти миллиардов евро в виде новых разработок в промышленности и автомобилестроении.
• В апреле 2023 года Toppan представила услугу контрактного производства силовых полупроводников. Toppan будет осуществлять портирование и производство пластин для процессов производителей устройств, чтобы обеспечить мощности по производству пластин для силовых полупроводников. Сюда входят промышленные устройства, автоматизация производства и автомобильные приложения. Сам производственный процесс будет налажен на заводе JS Foundry KK (JS Foundry) в Ниигате в соответствии с соглашением о сотрудничестве. Toppan возьмет на себя частичную обработку изготовления пластин, включая эпитаксиальные и тыльные процедуры, начиная с портирования и изготовления 6-дюймовых пластин. К марту 2025 года Toppan планирует расширить свои услуги, включив в них процесс изготовления 8-дюймовых пластин, и представить услуги «под ключ», которые будет предоставлять ее дочерняя компания по проектированию полупроводников, Центр технического проектирования Toppan, начиная от проектирования силовых полупроводников и заканчивая их производством.
• В марте 2023 года Mitsubishi Electric Corporation удвоила сумму денег, которую она ранее планировала инвестировать, и составила около 260 миллиардов иен в течение пяти лет, заканчивающихся в марте 2026 года. Основной целью этих инвестиций будет создание новой пластины. завод по увеличению производства силовых полупроводников из карбида кремния (SiC). Mitsubishi Electric рассчитывает удовлетворить спрос быстрорастущих рынков на силовые полупроводники SiC для электромобилей и даже для новых приложений, которые требуют таких функций, как работа при высоких температурах, низкие потери энергии или высокоскоростное переключение. Благодаря этому плану Mitsubishi Electric также сможет поддержать глобальную тенденцию «зеленой» трансформации в сторону обезуглероживания и энергосбережения. Приблизительно 100 миллиардов иен пойдут на строительство нового завода по производству 8-дюймовых пластин SiC и улучшение сопутствующих производственных мощностей. 8-дюймовые пластины SiC большого диаметра будут производиться на новом заводе, который будет включать в себя собственное предприятие в районе Сисуи префектуры Кумамото. Здесь также будет чистая комната с ультрасовременной энергоэффективностью и высокоавтоматизированным производством.
• В апреле 2022 года компания Wolfspeed, Inc. запустила современное предприятие по производству карбида кремния Mohawk Valley в Марси, штат Нью-Йорк. Во всей отрасли переход от кремния к полупроводникам на основе карбида кремния возглавит завод по производству 200-миллиметровых пластин.

В последние годы на мировом рынке электромобилей наблюдается значительный рост благодаря нескольким факторам, таким как усиление правительственных инициатив в отношении электромобилей (EV), снижение цен на аккумуляторы для электромобилей, развитие общественной и частной зарядки электромобилей, развитие технологий зарядки электромобилей с помощью беспроводные средства и многое другое. Согласно анализу Data Bridge Market Research, прогнозируется, что глобальный рынок электромобилей будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) на уровне 20,35% в период с 2023 по 2030 год.

Чтобы узнать больше об исследовании, посетите:https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-electric-vehicle-market

Рекомендации для полупроводниковой промышленности в будущем на пути к новому размеру пластин

Продолжающийся кризис нехватки полупроводников также побуждает к дискуссиям о расширении установки и поиске пластин самого большого размера, производимого в настоящее время, - 300 мм (11,8/12 дюйма).

Это влечет за собой требование, чтобы все будущие конструкции FAB и OSAT выбирали диаметр 300 мм или даже 450 мм (17,7/18 дюйма), которые еще не использовались для полномасштабного производства. Основной предмет разногласий заключается в том, что, предоставляя FAB и OSAT средства для производства большего количества штампов на единицу площади, они могут повысить свою производительность. Для этого, несомненно, потребуются значительные затраты, и немногие FAB/OSAT выберут пластину размером более 200 мм (7,9/8 дюйма).

Размер пластины — еще один фактор, который полупроводниковая промышленность должна учитывать, учитывая растущую зависимость от полупроводниковых устройств. Создание большего количества FAB и OSAT и оснащение их будущими потребностями — наиболее эффективная стратегия устранения любого будущего спроса, вызывающего дефицит. Планирование FAB/OSAT должно начаться уже сейчас, даже если они сначала будут построены и оснащены пластинами диаметром 200 или 300 мм. Приняв такой план, FAB и OSAT будут подготовлены к будущему спросу, который, несомненно, может превысить общую мощность, которая будет доступна в ближайшем будущем.

Необходимы решительные меры для поощрения использования пластин, размеры которых значительно превышают те, которые производятся сейчас, прежде всего 450 мм. Приведенная ниже дорожная карта предлагает подробное объяснение причин, по которым следует предпринять определенные действия в направлении увеличения размеров пластин.

Емкость: Учитывая нехватку полупроводников, сегодняшние мощности, основанные на различных размерах пластин, несомненно, недостаточны. Увеличение количества FAB и OSAT, несомненно, повысит производительность, но не так сильно, как увеличение размера пластины. Компании, производящие полупроводники, должны учитывать долгосрочные затраты, связанные с отказом от перехода на пластины большего размера. Отправной точкой могут быть пластины FAB/OSAT в диапазоне 300 мм, а также могут достигать 450 мм.

ФАБ-ЛАЙТ: Разработка нескольких специализированных полупроводниковых FAB и OSAT, предназначенных исключительно для будущих пластин огромных размеров, является еще одной стратегией управления размером пластин. Это могут быть объекты, предназначенные для производства пластинчатых FAB/OSAT размером 450 или 675 мм (26,6/27 дюймов). Согласно этому плану, в будущем новые здания будут служить центрами исследований и разработок для пластин большего размера. По мере развития технологий массовое производство станет возможным благодаря снижению стоимости использования пластин большего размера.

Сотрудничество: Создание FAB и OSAT, способных обрабатывать пластины большего размера, обходится дорого. Единственным вариантом сокращения этих расходов является объединение различных производителей и инвестирование в кластерные предприятия, обслуживающие различную клиентуру. Хотя из-за этого, несомненно, возникнут вопросы интеллектуальной собственности и другие конфиденциальные вопросы, мощность, ориентированная на пластины большего размера, не может быть увеличена без сотрудничества.

Целевой узел: Для конкретных технологических узлов также могут использоваться пластины большего размера. При таком подходе необходимые инвестиции и производственные затраты могут быть сбалансированы. Старые узлы с более надежными процессами, чем узлы с будущими новыми технологиями, могут быть наиболее подходящими узлами. Это, несомненно, может стимулировать использование пластин большего размера.

Эффективность: В конечном счете, за счет доставки большего количества деталей за один и тот же промежуток времени более крупные размеры пластин повышают эффективность. Пока технология производства экономична, общие затраты и инвестиции будут уравниваться. Это еще один аргумент в пользу увеличения размеров пластин в полупроводниковой промышленности.

Заключение

Отсутствие мощностей по производству 8-дюймовых пластин в основном связано с продолжающимся ростом спроса на процессоры смешанных сигналов и силовые устройства. Казалось бы, литейные заводы будут расширять свои мощности, поскольку поставки 8-дюймовых пластин находятся на рекордно высоком уровне. Кроме того, литейные заводы заинтересованы в приобретении 8-дюймовых производственных линий и сопутствующего оборудования у IDM. Было замечено, что очень немногие поставщики в настоящее время производят 8-дюймовое полупроводниковое оборудование, а это означает, что цена на такое оборудование внезапно выросла, с 2019 года наблюдается серьезный дефицит. Это привело к тому, что некоторые литейные заводы увеличили цену на 8-дюймовое полупроводниковое оборудование. дюймовые пластины своим клиентам.

Было замечено, что некоторые производители микросхем переносят свои нынешние разработки с 8-дюймовых линеек с 180 нм и 350 нм на более новые линейки с 12-дюймовыми пластинами. Кроме того, большое количество литейных предприятий обеспечивают соответствующие процессы 130 нм, производимые на 12-дюймовых пластинах, которые можно использовать в качестве резервного или основного источника для удовлетворения будущих потребностей в мощностях и географической диверсификации цепочки поставок.

Организации, которые в настоящее время используют кремний на 8-дюймовых пластинах, должны оценить свои будущие потребности, поскольку текущий дефицит следует интерпретировать как предупреждение. Если требуется значительная мощность, им следует подумать о переходе на 12-дюймовый узел и дать себе время завершить процесс на заводе по производству первичного или вторичного источника.