八英寸晶圓廠的“問題”

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2022-03-17 08:14:31 21

保守來講，當下8英寸（200mm）晶圓的供應鏈情況相當嚴峻！

然而，這絕不是新問題。中國臺灣的市場調查公司一一TrendForce于2020年11月發布新聞稱：“就8英寸晶圓的產能而言，自2019年下半年以來一直持續在嚴重的供給不足問題”。

此外，雪上加霜的是2021年3月瑞薩電子那珂工廠發生了火災。由于瑞薩的此處工廠為諸多車型供貨，因此導致問題更加惡化。

基于以上背景，導致諸多因素“糾纏”在一起。但是，不言而喻，最大的原因還是在于新冠疫情（COVID-19）。由于新冠疫情的發生，耳機、電腦、電視、顯示屏、手機等各種電子產品的需求猛增。

雖然汽車也屬于以上范疇，但人們還是希望汽車市場會在2021年內從新冠疫情的陰影中恢復。如今各種產品都在推廣將多種功能匯集于一體的SoC（System on Chip）模式，因此很多產品都需要搭載多個具備數模混合信號（Mixed Signal Chip）的IC。以上產品的用途方向主要有以下：PMIC（Power Management IC）、CMOS圖像傳感器、指紋識別傳感器、汽車發動機/底盤控制、顯示屏驅動IC、Sub Giga Hertz的無線通信芯片等。一般情況下，以上這些都適用180納米、350納米工藝，用8英寸晶圓生產。

即，用于這種數模混合信號芯片（Mixed Signal Chip）、功率半導體的產品需求不斷增長，這導致了8英寸晶圓的產能不足。

受到8英寸晶圓的供給達到極限的影響，代工廠（Foundry）很有可能會擴大產能。代工廠可能會收購垂直統籌型廠家（IDM：Integrated Device Manufacturer）的8英寸晶圓生產設備和產線。可列舉的事例如下：最近有報道指出，中國臺灣的UMC正在討論收購Japan Semiconductor（原東芝的半導體制造公司）的8英寸產線。

沒有供生產廠家
正如Trend Force的報道指出的一樣，自2019年下半年開始的嚴重的半導體供給不足問題，可以推測的原因是幾乎沒有廠家可以生產出8英寸晶圓的設備，即使現在也是如此，因此半導體生產設備的價格不斷高漲。

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TSMC的采用8英寸、12英寸晶圓的工藝。（圖片出自：eetimes） 此外，8英寸晶圓的價格較12英寸低得多，因此，代工廠普遍認為擴大8英寸產能的成本效率更差。因此，產生了一系列連鎖反應，如一部分代工廠就對客戶提高了8英寸晶圓的價格。
換句話說，就8英寸晶圓的情況而言，與其說“供應鏈混亂”，不如說其特點是“供應廠家不足”。一部分“移步”12英寸晶圓
就12英寸（300mm）晶圓的代工廠而言，以TSMC、GLOBALFOUNDRIES為代表的各家企業為擴大產能而在火熱地投資，然而，卻看不到任何有關8英寸的改善情況。
由于8英寸晶圓產能沒有任何改善，因此一部分廠家正在從現有的180nm、350nm的8英寸產線轉為使用12英寸晶圓。此外，很多代工廠可以提供用12英寸晶圓生產的130nm工藝，因此可用作二次供給源或者主要供給源。因此，這有助于提高供應鏈的地理多樣性。 180納米、130納米工藝技術的特征
180納米和130納米工藝雖然有類似的工藝，但也有不同的地方。主要是晶體管的閾值電壓的下降程度不同，核心供給電壓為1.8V一1.5V，或者低至1.2V。此外，由于存在各種工藝技術的選擇項，因此可以支持5V／3.3V的IO電壓，就對于模擬/RF設計極其重要的被動零部件而言，這些工藝特征極其類似。

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用于Mixed Signal ASIC等產品的主要節點技術比較圖。（圖片出自：eetimes）

12英寸晶圓技術有多個優勢。由于可代替舊代際技術中的鋁而使用銅，因此電流密度允許值也較高，耐電遷移性也較優秀。此外，金屬層的層數也較多，晶體管尺寸較小，因此，通過提高晶體管密度、布線密度，可以縮小芯片尺寸、提高性能。
此外，大部分180納米工藝技術和大部分的130nm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工藝技術都可以支持STI（Shallow Trench Isolation，淺槽隔離）等功能，因此與大部分在350納米技術中使用的LOCOS（Local Oxidation of Silicon）絕緣相比，因此可以獲得較高的密度、閂鎖效應（Latch Up）保護機能等。因此，達到提高線路性能和穩定性的效果。
如今，130納米 BCD工藝已經相當成熟，因此可作為各種工藝技術的選擇項。如不同級別的高壓晶體管、非揮發性存儲半導體、MIM（金屬一一絕緣膜一一金屬）電容、穩壓二極管（Zener）/肖特基二極管等。因此，不僅可以將復雜的模擬/RF功能與SoC解決方案融合，還可以提供其他優勢。 8英寸晶圓還有很多優勢
8英寸晶圓還有很多優勢，比方說，用350納米制造的8英寸晶圓的價格優勢。
原因如下：生產設備已經完成折舊、生產工藝相對簡單（層數少）。此外，一部分模擬線路未必能夠在新工藝中順利實現微縮化，因此與130納米同等程度的半導體芯片的價格可能會高于350納米。但是，當因零部件不足導致無法生產產品時，大部分情況下會發生極其嚴重的情況，而不是單純的半導體芯片的成本差。
此外，現階段人們的關注點是盡管各家代工廠都在從8英寸轉到12英寸，但卻沒有一家廠家做出任何發言。對于Mixed Signal ASIC熟練的廠家雖然在努力，但首先應該著手于線路圖的端口、IC 的數據手冊（Data Sheet）。
就為重新設計ASIC所需的投資而言，應該統籌一下其他產品，以免同樣受到如8英寸供應鏈同樣問題。
130納米的特征尺寸（Feature Size）較小，因此可以在不增加成本的情況下與“Arm Cortex-M”系列核融合。低端CPU所需要的芯片面積僅為數平方毫米，而且有可能以較高的效率與64kbit/128kbit的SRAM融合。
從如今的數據手冊來看，從設計ASIC、量產、獲得認證的日程需要14個月一一24個月（依復雜程度而定），最初的Proto Type Silicon應該可以在一年內完成。如果是車載產品，從制作規格書到PPAP（Production part approval process，生產件批準程序）大概需要24個月一一36個月（依復雜程度而定）。130納米ASIC的一般預算為60萬美元起步（依據實際的復雜程度和IP知識產權內容而定），如果依據AEC-Q100的話，費用為400萬美元左右。如今，130納米工藝（12英寸晶圓）的Mask Tool的成本為20萬美元以下，占整體成本的比例較低。
很多Mixed Signal Device都是由供給不足的8英寸晶圓制造的，由于8英寸晶圓產線的投資不足（原因是投資收益率低下），未來供應鏈問題還會繼續存在。

此次的半導體供給不足問題某種程度上是一個“警告”，如今使用8英寸晶圓的企業應該首先考慮一下未來的需求。此外，無論是主要生產據點，還是第二供應商（Second Source），在所有的工藝完成之前都需要確保足夠的時間。

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