八英寸晶圆厂的“问题”

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2022-03-17 08:14:32 0

保守来讲，当下8英寸（200mm）晶圆的供应链情况相当严峻！

然而，这绝不是新问题。中国台湾的市场调查公司一一TrendForce于2020年11月发布新闻称：“就8英寸晶圆的产能而言，自2019年下半年以来一直持续在严重的供给不足问题”。

此外，雪上加霜的是2021年3月瑞萨电子那珂工厂发生了火灾。由于瑞萨的此处工厂为诸多车型供货，因此导致问题更加恶化。

基于以上背景，导致诸多因素“纠缠”在一起。但是，不言而喻，最大的原因还是在于新冠疫情（COVID-19）。由于新冠疫情的发生，耳机、电脑、电视、显示屏、手机等各种电子产品的需求猛增。

虽然汽车也属于以上范畴，但人们还是希望汽车市场会在2021年内从新冠疫情的阴影中恢复。如今各种产品都在推广将多种功能汇集于一体的SoC（System on Chip）模式，因此很多产品都需要搭载多个具备数模混合信号（Mixed Signal Chip）的IC。以上产品的用途方向主要有以下：PMIC（Power Management IC）、CMOS图像传感器、指纹识别传感器、汽车发动机/底盘控制、显示屏驱动IC、Sub Giga Hertz的无线通信芯片等。一般情况下，以上这些都适用180纳米、350纳米工艺，用8英寸晶圆生产。

即，用于这种数模混合信号芯片（Mixed Signal Chip）、功率半导体的产品需求不断增长，这导致了8英寸晶圆的产能不足。

受到8英寸晶圆的供给达到极限的影响，代工厂（Foundry）很有可能会扩大产能。代工厂可能会收购垂直统筹型厂家（IDM：Integrated Device Manufacturer）的8英寸晶圆生产设备和产线。可列举的事例如下：最近有报道指出，中国台湾的UMC正在讨论收购Japan Semiconductor（原东芝的半导体制造公司）的8英寸产线。

没有供生产厂家
正如Trend Force的报道指出的一样，自2019年下半年开始的严重的半导体供给不足问题，可以推测的原因是几乎没有厂家可以生产出8英寸晶圆的设备，即使现在也是如此，因此半导体生产设备的价格不断高涨。

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TSMC的采用8英寸、12英寸晶圆的工艺。（图片出自：eetimes） 此外，8英寸晶圆的价格较12英寸低得多，因此，代工厂普遍认为扩大8英寸产能的成本效率更差。因此，产生了一系列连锁反应，如一部分代工厂就对客户提高了8英寸晶圆的价格。
换句话说，就8英寸晶圆的情况而言，与其说“供应链混乱”，不如说其特点是“供应厂家不足”。一部分“移步”12英寸晶圆
就12英寸（300mm）晶圆的代工厂而言，以TSMC、GLOBALFOUNDRIES为代表的各家企业为扩大产能而在火热地投资，然而，却看不到任何有关8英寸的改善情况。
由于8英寸晶圆产能没有任何改善，因此一部分厂家正在从现有的180nm、350nm的8英寸产线转为使用12英寸晶圆。此外，很多代工厂可以提供用12英寸晶圆生产的130nm工艺，因此可用作二次供给源或者主要供给源。因此，这有助于提高供应链的地理多样性。 180纳米、130纳米工艺技术的特征
180纳米和130纳米工艺虽然有类似的工艺，但也有不同的地方。主要是晶体管的阈值电压的下降程度不同，核心供给电压为1.8V一1.5V，或者低至1.2V。此外，由于存在各种工艺技术的选择项，因此可以支持5V／3.3V的IO电压，就对于模拟/RF设计极其重要的被动零部件而言，这些工艺特征极其类似。

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用于Mixed Signal ASIC等产品的主要节点技术比较图。（图片出自：eetimes）

12英寸晶圆技术有多个优势。由于可代替旧代际技术中的铝而使用铜，因此电流密度允许值也较高，耐电迁移性也较优秀。此外，金属层的层数也较多，晶体管尺寸较小，因此，通过提高晶体管密度、布线密度，可以缩小芯片尺寸、提高性能。
此外，大部分180纳米工艺技术和大部分的130nm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺技术都可以支持STI（Shallow Trench Isolation，浅槽隔离）等功能，因此与大部分在350纳米技术中使用的LOCOS（Local Oxidation of Silicon）绝缘相比，因此可以获得较高的密度、闩锁效应（Latch Up）保护机能等。因此，达到提高线路性能和稳定性的效果。
如今，130纳米 BCD工艺已经相当成熟，因此可作为各种工艺技术的选择项。如不同级别的高压晶体管、非挥发性存储半导体、MIM（金属一一绝缘膜一一金属）电容、稳压二极管（Zener）/肖特基二极管等。因此，不仅可以将复杂的模拟/RF功能与SoC解决方案融合，还可以提供其他优势。 8英寸晶圆还有很多优势
8英寸晶圆还有很多优势，比方说，用350纳米制造的8英寸晶圆的价格优势。
原因如下：生产设备已经完成折旧、生产工艺相对简单（层数少）。此外，一部分模拟线路未必能够在新工艺中顺利实现微缩化，因此与130纳米同等程度的半导体芯片的价格可能会高于350纳米。但是，当因零部件不足导致无法生产产品时，大部分情况下会发生极其严重的情况，而不是单纯的半导体芯片的成本差。
此外，现阶段人们的关注点是尽管各家代工厂都在从8英寸转到12英寸，但却没有一家厂家做出任何发言。对于Mixed Signal ASIC熟练的厂家虽然在努力，但首先应该着手于线路图的端口、IC 的数据手册（Data Sheet）。
就为重新设计ASIC所需的投资而言，应该统筹一下其他产品，以免同样受到如8英寸供应链同样问题。
130纳米的特征尺寸（Feature Size）较小，因此可以在不增加成本的情况下与“Arm Cortex-M”系列核融合。低端CPU所需要的芯片面积仅为数平方毫米，而且有可能以较高的效率与64kbit/128kbit的SRAM融合。
从如今的数据手册来看，从设计ASIC、量产、获得认证的日程需要14个月一一24个月（依复杂程度而定），最初的Proto Type Silicon应该可以在一年内完成。如果是车载产品，从制作规格书到PPAP（Production part approval process，生产件批准程序）大概需要24个月一一36个月（依复杂程度而定）。130纳米ASIC的一般预算为60万美元起步（依据实际的复杂程度和IP知识产权内容而定），如果依据AEC-Q100的话，费用为400万美元左右。如今，130纳米工艺（12英寸晶圆）的Mask Tool的成本为20万美元以下，占整体成本的比例较低。
很多Mixed Signal Device都是由供给不足的8英寸晶圆制造的，由于8英寸晶圆产线的投资不足（原因是投资收益率低下），未来供应链问题还会继续存在。

此次的半导体供给不足问题某种程度上是一个“警告”，如今使用8英寸晶圆的企业应该首先考虑一下未来的需求。此外，无论是主要生产据点，还是第二供应商（Second Source），在所有的工艺完成之前都需要确保足够的时间。

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