Überblick
Silizium-Wafer bilden die Grundlage für die Herstellung vieler moderner Halbleiterprodukte, die wiederum die Basis für die Halbleiterindustrie bilden. Größe und Durchmesser von Silizium-Wafern verändern sich seit einigen Jahren allmählich. Dies führt letztendlich zu einer neuen Diskussionswelle über die Überschreitung der aktuellen Wafergröße, hauptsächlich aufgrund der steigenden Nachfrage nach modernen Halbleiterprodukten, vor allem als Mittel zur Steigerung der Produktionsrate neuer Halbleiter-FABs und -OSATs. Derzeit liegen die meisten FABs und OSATs auf 200-mm-Wafer (7,9/8 Zoll), einige wenige konzentrieren sich auf 300-mm-Wafer (11,8/12 Zoll). Letztendlich ist die Auswahl der Wafergröße eher investitions- und strategiegetrieben als technisch. Denn jede Veränderung der Wafergröße wirkt sich auf den gesamten Halbleiterfluss von Ende zu Ende aus.
Der Bedarf an 200-mm-Kapazitäten ist aufgrund der wachsenden Nachfrage nach Internet of Things (IoT), mobilen und automobilen Anwendungen gestiegen. Diese Anwendungen beleben die 200-mm-Produktion und treiben den Bedarf an Komponenten wie Stromversorgung, Analog, MEMS und Sensoren voran. Sie erfordern keine hochmodernen Fertigungsprozesse. Verschiedene Hersteller integrierter Geräte (IDM) gehen zur 8-Zoll-Waferproduktion für Halbleiter der dritten Generation über, darunter GaN und SiC.
Einfluss der Wafergröße auf die Halbleiterindustrie
Ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung des Aufbaus der FABs und OSATs ist die Wafergröße. Der Hauptgrund dafür ist, dass die benötigten Werkzeuge und Geräte von der Größe des Wafers abhängen und mit zunehmender Wafergröße auch die Kosten für den Aufbau zusätzlicher FABs und OSATs steigen. Aus diesem Grund ist die Wahl der geeigneten Wafergröße von entscheidender Bedeutung. Die Auswahl der Wafergröße ist letztendlich eher strategie- und investitionsgetrieben als technisch. Dies liegt daran, dass jede Änderung der Wafergröße den Halbleiterfluss von Anfang bis Ende beeinflusst.
Die folgenden Punkte zeigen eindeutig, wie sich die Wafergröße auf verschiedene Aspekte des Halbleiterprozesses auswirkt. Bei der Bestimmung der Wafergröße, die zur Herstellung des Produkts der nächsten Generation verwendet wird, müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, von den Kosten bis hin zum Ertrag.
Abbildung 1: Bei der Bestimmung der Wafergröße zu berücksichtigende Faktoren
Wafergröße: Größere Wafergrößen ermöglichen zweifellos mehr Chips pro Flächeneinheit. Die größere Fläche zur Herstellung von mehr Chips ermöglicht es FABs und OSATs letztendlich, in einem bestimmten Zeitraum mehr Chips herzustellen und zu testen/zusammenzusetzen. Dies beschleunigt die Geschwindigkeit, mit der neue Produkte hergestellt oder zusammengebaut werden können, und kann in einigen Fällen auch der Lieferkette zugutekommen, wenn die Wafergröße erhöht wird.
Chips pro Wafer: Die Anzahl der Chips pro Wafer steht in direktem Zusammenhang mit der Wafergröße, da sie es Halbleiterdesignhäusern ermöglicht, das Ausmaß der Kostensenkung abzuschätzen. Im Vergleich zu einem größeren Wafer führt ein kleinerer Wafer für ein stark nachgefragtes Produkt letztendlich dazu, dass mehr Waferbestellungen möglich sind. Aufgrund dieses heiklen Balanceakts müssen Unternehmen daher häufig mehr Zeit investieren, um die Vor- und Nachteile der Verwendung von Wafern aus kommerzieller Sicht abzuwägen.
Verfahren: Da die Wafergröße als wichtigster Parameter gilt, müssen Halbleiterfertigungsanlagen im Voraus planen und festlegen, welche Wafergrößen sie in den nächsten fünf bis zehn Jahren unterstützen werden. Die wichtigste Überlegung sind die Kosten für die Einrichtung des Prozesses, der für jede Wafergrößenerweiterung erforderlich ist. Die meisten Halbleiteranlagen haben sich auf 200-mm-Wafer (7,9/8 Zoll) konzentriert, da diese sowohl technische als auch geschäftliche Aspekte miteinander in Einklang bringen. Die Anforderung von 300-mm-Wafer (11,8/12 Zoll) zwingt FABs und OSATs jedoch zur Modernisierung.
Kosten: Der Kostenfaktor gilt auch als einer der wichtigsten Faktoren bei der Entwicklung eines Halbleiterprodukts, da er von der Wafergröße dominiert wird. Zusätzlich zu den Kosten des Wafers müssen FAB- und OSAT-Kosten berücksichtigt werden. Im Vergleich zu einem 300 mm (11,8/12 Zoll) großen Wafer sind die Kosten für die Herstellung und Montage von Halbleiterchips bei Verwendung eines 200 mm (7,9/8 Zoll) großen Wafers zweifellos geringer. Letztendlich besteht der Schlüssel darin, durch die Wahl der geeigneten Wafergröße eine Marge zu erzielen.
Ertrag: In der Vergangenheit hat die Ausbeute mit zunehmender Wafergröße abgenommen. Wenn ein Produkt auf einem 200-mm-Wafer (7,9/8 Zoll) statt auf einem 300-mm-Wafer (11,8/12 Zoll) hergestellt wird, ist die Ausbeute des ersteren geringer. Die endgültige Ausbeute wird letztlich vergleichbar sein, aber mit zunehmender Wafergröße wird die Ausbeute hauptsächlich deshalb sinken, weil es länger dauert, den Halbleiterprozess zu perfektionieren. Dieser Prozess verbessert sich, wenn mehr Produkte die gleiche Wafergröße verwenden, da gewonnene Erkenntnisse genutzt werden können, um die Gesamtproduktausbeute zu steigern. Die endgültige Ausbeute wird auch stark von der Handhabung der Wafer beeinflusst, und mit zunehmender Wafergröße wird es schwieriger, die Anzahl der Prozessschritte zu reduzieren, da eine beträchtliche Anzahl von Chips pro gegebener Fläche erforderlich ist.
Der Markt für Halbleiterfertigungsanlagen hat aufgrund der steigenden Nachfrage nach Halbleiterteilen für Elektro- und Hybridfahrzeuge ein erhebliches Wachstum erlebt. Darüber hinaus wird das Wachstum im Prognosezeitraum durch die Zunahme der Fertigungseinheiten für den Bau von Halbleiterfabriken ergänzt. Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research wird der Markt für Halbleiterfertigungsanlagen weltweit von 2022 bis 2030 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,5 % wachsen.
Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter:https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-semiconductor-manufacturing-equipment-market
Hervorhebung der Chip-Nutzung in verschiedenen Anwendungen
Da sich die Branche laut SEMI einem Höchststand von mehr als 7,7 Millionen Wafern pro Monat (wpm) nähert, wird erwartet, dass die Halbleiterhersteller weltweit ihre 200-mm-Fabrikkapazität zwischen 2023 und 2026 um 14 % steigern und 12 neue 200-mm-Volumen-FABs (ohne EPI) hinzufügen.
Die Haupttreiber der 200-mm-Investitionen sind Leistungs- und Verbindungshalbleiter, die für die Automobil-, Industrie- und Verbraucherbranche unverzichtbar sind. Da die Nutzung von Elektrofahrzeugen zunimmt, wird erwartet, dass insbesondere Entwicklungen bei Antriebswechselrichtern und Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu einer weltweiten Steigerung der 200-mm-Waferkapazität führen werden. Der steigende Chipanteil in Elektrofahrzeugen und der Wunsch, die Ladezeiten zu verkürzen, treiben Kapazitätserweiterungen voran, auch wenn sich die Versorgung mit Automobilchips stabilisiert hat.
Um den zukünftigen Bedarf zu decken, beschleunigen Chipanbieter wie STMicroelectronics, Bosch, Fuji Electric, Infineon, Mitsubishi, Onsemi, Rohm und Wolfspeed ihre Projekte zur 200-mm-Kapazität.
Der globale Markt für SiC-Leistungshalbleiter verzeichnet in den letzten Jahren ein erhebliches Wachstum, was unter anderem auf die steigende Nachfrage nach Leistungselektronik in verschiedenen Branchen wie Unterhaltungselektronik, Automobil und Industrie in Entwicklungsländern zurückzuführen ist. Dies ist hauptsächlich auf mehrere Vorteile zurückzuführen, darunter kompaktes Design, vereinfachte Schaltung und Fähigkeit, hohen Strömen und Spannungen standzuhalten. Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research wird der globale Markt für SiC-Leistungshalbleiter von 2022 bis 2030 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,5 % wachsen.
Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter:https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-sic-power-semiconductor-market
Angesichts der starken Nachfrage nach Automobilen haben Hersteller einen starken Anreiz, die Vorlaufzeiten zu verkürzen. Für die ausgereiften FABs, die 6- und 8-Zoll-Wafer produzieren, die hauptsächlich in verschiedenen elektronischen Steuergeräten für Automobile verwendet werden, kann dies eine Herausforderung darstellen. Diese Wafer sind oft älter und weniger effizient. Die Produktionszeiträume können durch eine stärkere Automatisierung und eine Steigerung der Produktion durch neue Anlagen und Werkzeugausstattung verkürzt werden, aber selbst in modernen Anlagen sind diese Strategien schwierig und zeitaufwändig umzusetzen. Ausgereifte Fabriken können eine strengere, umfassendere Strategie verfolgen, die sich auf vier wesentliche Aufgaben konzentriert, um die Produktion schneller zu steigern: Verbesserung der Gesamtanlageneffizienz (OEE), proaktive Kontrolle der Arbeitskräfte, Risikominimierung der Infrastruktur und dynamisches Leistungsmanagement.
Laut dem Bericht „SEMI 200mm Fab Outlook to 2026“ wird die Fertigungskapazität für Leistungs- und Automobilhalbleiter zwischen 2023 und 2026 um 34 % steigen. MEMS, Analog und Foundry werden mit 8 %, 6 % bzw. 8 % auf Platz drei und vier landen, hinter der Mikroprozessoreinheit/Mikrocontrollereinheit (MPU/MCU) mit 21 %.
Regionale Einblicke
Während des Höhepunktes der COVID-19-Epidemie im Jahr 2021 kam es in den USA zu einem plötzlichen und schweren Halbleitermangel. Zahlreiche bedeutende Unternehmen waren von diesem Mangel stark betroffen, darunter Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräte, erneuerbare Energien und Automobile. Der Mangel hatte schwerwiegende finanzielle Auswirkungen; das US-Handelsministerium schätzt, dass er das US-Wirtschaftswachstum in diesem Jahr um fast eine Viertel Billion Dollar reduzierte.
Über die finanziellen Folgen hinaus offenbarte der Chipmangel, wie sehr zahlreiche US-Unternehmen von Halbleitern aus Asien abhängig geworden waren. Die Epidemie war ein unangenehmes Erwachen, ein heftiger Schock. Aufgrund der starken Abhängigkeit des Landes von Halbleitern aus Asien war die Wirtschaft anfällig für unvorhergesehene Ereignisse.
Aufgrund der finanziellen Auswirkungen wurde der „Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors and Science Act“ (CHIPS Act) geschaffen. Der CHIPS and Science Act, der am 9. August 2022 in Kraft trat, sieht rund 53 Milliarden US-Dollar für die Förderung der „amerikanischen Halbleiterforschung, -entwicklung, -herstellung und -belegschaftsentwicklung“ vor, wie es damals in einer Pressemitteilung des Weißen Hauses hieß.
Eine ähnliche Strategie hat die Europäische Union im April 2023 vorgestellt. Der European Chips Act zielt konkret darauf ab, den weltweiten Marktanteil der Halbleiterindustrie bis 2030 von 10 % auf 20 % zu verdoppeln, indem den 27 Mitgliedsstaaten 43 Milliarden Euro oder etwa 47 Milliarden US-Dollar zugewiesen werden.
Im Bestreben, bei der Herstellung von Halbleitern unabhängiger zu werden, starten Europa und die USA derzeit riesige Bauprojekte zum Bau eigener Halbleiterfertigungsanlagen.
Zum Beispiel,
- Intel begann im September 2021 mit dem Bau von zwei weiteren Halbleiterfabriken, die als Fab 52 und Fab 62 bezeichnet werden, auf seinem Gelände in Ocotillo in der Region Chandler. Nach Fertigstellung dieser Fabriken wird Intel sechs Fabriken auf dem Campus haben. Die beiden Fabrikgebäude, deren Fertigstellung für 2024 erwartet wird, werden zusammen fast 20 Milliarden USD kosten.
- Der reine MEMS-Gießereibetrieb Rogue Valley Microdevices Inc. (Medford, Oregon) hat ein 4.645 Quadratmeter großes Geschäftsgebäude in 2301 Commerce Drive, Palm Bay, Florida, erworben, um es als zweite Mikrofabrikationsanlage zu nutzen. Die MEMS- und Sensorprodukte werden aus der Fabrik kommen. Die Produktion soll 2025 beginnen und rund 75 Mitarbeiter beschäftigen. Das Unternehmen hat 30 Millionen USD für Investitionen bereitgestellt. Die Fabrik wird die Kapazität haben, jeden Monat 21.000 Waferstarts zu produzieren und Wafer mit Durchmessern von 200 und 300 mm verarbeiten können.
- Um fortschrittliche Halbleiterfertigungsdienste anbieten zu können, planen TSMC, Robert Bosch GmbH, Infineon Technologies AG und NXP Semiconductors NV, gemeinsam in die European Semiconductor Manufacturing Company (ESMC) GmbH mit Sitz in Dresden zu investieren. Der Bau einer 300-mm-Fabrik durch ESMC ist ein wichtiger Schritt, um den Kapazitätsbedarf der rasch wachsenden Automobil- und Industriebranche in der Zukunft zu decken. TSMC wird 70 % des geplanten Joint Ventures besitzen, 10 % der Anteile werden von Bosch, Infineon und NXP gehalten, vorbehaltlich behördlicher Genehmigungen und anderer Anforderungen. Es wird erwartet, dass insgesamt etwa 10 Milliarden Euro investiert werden, einschließlich Fremdkapital, Aktienzuführung und erheblicher Unterstützung durch die deutsche Regierung und die Europäische Union. Da die Produktion voraussichtlich Ende 2027 beginnen soll, plant ESMC, mit dem Bau der Fabrik in der zweiten Hälfte des Jahres 2024 zu beginnen.
- Im Juni 2023 hat Intel eine Vereinbarung mit der deutschen Regierung unterzeichnet, die zur größten Auslandsinvestition in der Geschichte des Landes führen wird. Die Vereinbarung sieht die Eröffnung einer Intel-Chip-Fertigungsanlage in Magdeburg vor, einer mittelgroßen Stadt in Ostmitteldeutschland mit etwa 230.000 Einwohnern, zu Gesamtkosten von über 30 Milliarden Euro. Etwa ein Drittel der Investition wird von der deutschen Regierung finanziert. Diese Vorteile werden sich in Form von mehr Arbeitsplätzen, wirtschaftlicher Belebung und Einfluss im wichtigen Technologiesektor zeigen. Der Bau der Anlage soll bis 2027 abgeschlossen sein. Es wird erwartet, dass die Fabrik Deutschland mehr Zugang zu Zulieferernetzwerken und mehr als 3.000 gut bezahlte Arbeitsplätze bieten wird.
Um ihre Volkswirtschaften widerstandsfähiger gegen künftige geopolitische Krisen zu machen, stärken die USA und europäische Länder ihre Lieferketten und erhöhen die Menge der im Inland produzierten Chips.
Abbildung 2: Neue Kapazität in 200 mm Äquivalent nach Regionen (2022–2025)
Quelle: DBMR-Analyse
Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research verfügt die Region Asien-Pazifik im Vergleich zu anderen Regionen, nämlich Europa, dem Nahen Osten und Amerika, über einen großen Anteil an der 200-mm- und 300-mm-Fabrikkapazität. Dies ist unter anderem hauptsächlich auf die fortschrittliche Infrastruktur, die bedeutende Präsenz von Marktteilnehmern, robuste Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie strenge staatliche Initiativen zur Einführung zurückzuführen. Darüber hinaus gilt die Region Asien-Pazifik mit Ländern wie China, Taiwan und Japan als der größte Halbleitermarkt.
Abbildung 3: Geschätzter Marktanteil für 200 mm neue Produktionskapazität nach Regionen (2022–2025)
Quelle: DBMR-Analyse
In Bezug auf die Fertigung ist China weiterhin Spitzenreiter, wenn es um Investitionen in 300-mm- sowie 200- und 150-mm-Produktionserweiterungen geht. Die wichtigsten Energie-IDMs bauen neue 300-mm-Linien oder erweitern bestehende. Zum Ökosystem gehören Unternehmen wie Bosch, Toshiba, Infineon Technologies und Nexperia. Weltweit werden einige 200-mm-Linien gebaut und 150-mm-Linien werden auf 200 mm umgestellt. Abgesehen davon sind Wolfspeed, Infineon Technologies, CRCC und andere Energie-IDMs, die um 200-mm-SiC-Kapazität wetteifern, Energie-IDMs.
Initiativen verschiedener Hersteller zur Steigerung der Produktionskapazität
Nachfolgend sind einige der strategischen Initiativen verschiedener Hersteller zur Steigerung der Produktionskapazität aufgeführt:
- Im Oktober 2023 unterzeichneten das in Festlandchina ansässige Unternehmen J2 Semiconductor und die Hong Kong Science and Technology Parks Corporation (HKSTP) eine Vereinbarung zur Errichtung eines Forschungs- und Entwicklungszentrums im Hong Kong Science Park und Hongkongs erster 8-Zoll-SiC-Waferfabrik. J2 Semiconductor beabsichtigt, in den nächsten Jahren mit der kommerziellen Produktion zu beginnen, nachdem das Unternehmen schätzungsweise 900 Millionen USD (6,9 Milliarden HK$) in das Projekt investiert hat. Der Plan, das Forschungs- und Entwicklungszentrum von J2 Semiconductor im Science Park zu errichten, wird Hongkongs Forschungs- und Entwicklungskapazitäten sowie die fortschrittlichen Fertigungskapazitäten für Halbleiterbauelemente der dritten Generation fördern. Ziel ist es, in Hongkong mehr als 700 Arbeitsplätze zu schaffen und bis 2028 eine jährliche Produktionskapazität von 240.000 SiC-Wafern zu erreichen. J2 Semiconductor liefert Kerntechnologie für Herstellungsprozesse, fortschrittliches Chipdesign und Halbleiterproduktentwicklung sowie Fachwissen nach Hongkong.
- Im August 2023 plant Infineon den Bau der größten 200-Millimeter-SiC-Power-Fab in Kulim, Malaysia. Bis zum Ende des Jahrzehnts wird diese Anlage einen Umsatz von fast sieben Milliarden Euro erzielen. Unterstützt wird dieser erwartete Ausbau durch Kundenzusagen in Höhe von rund einer Milliarde Euro an Anzahlungen und fünf Milliarden Euro an neuen Design-Wins in Industrie- und Automobilanwendungen.
- Im April 2023 hat Toppan einen Auftragsfertigungsservice für Leistungshalbleiter eingeführt. Toppan wird Porting und Fertigung für die Waferprozesse von Geräteherstellern durchführen, um die Waferfertigungskapazität für Leistungshalbleiter zu sichern. Dazu gehören Industriegeräte, Fabrikautomation und Fahrzeuganwendungen. Der Produktionsprozess selbst wird gemäß einer Kooperationsvereinbarung im Werk Niigata von JS Foundry KK (JS Foundry) eingerichtet. Toppan wird sich um die Teilverarbeitung der Waferherstellung kümmern, einschließlich epitaktischer und Rückseitenverfahren, beginnend mit Porting und Fertigung für den 6-Zoll-Waferprozess. Bis März 2025 plant Toppan, seine Dienstleistungen auf den 8-Zoll-Waferprozess auszuweiten und schlüsselfertige Dienstleistungen einzuführen, die von seiner Tochtergesellschaft für Halbleiterdesign, Toppan Technical Design Centre, bereitgestellt werden und vom Leistungshalbleiterdesign bis zur Fertigung reichen.
- Im März 2023 verdoppelte Mitsubishi Electric Corporation den zuvor geplanten Investitionsbetrag auf rund 260 Milliarden Yen über einen Zeitraum von fünf Jahren, der im März 2026 endet. Der Hauptzweck dieser Investition ist der Bau einer neuen Waferfabrik zur Steigerung der Produktion von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern (SiC). Mitsubishi Electric rechnet damit, die Nachfrage schnell wachsender Märkte nach SiC-Leistungshalbleitern in Elektrofahrzeugen und sogar nach neuen Anwendungen zu erfüllen, die Funktionen wie Hochtemperaturbetrieb, geringen Energieverlust oder Hochgeschwindigkeitsschalten erfordern. Mitsubishi Electric wird durch den Plan auch den globalen grünen Transformationstrend hin zu Entkohlung und Energieeinsparung unterstützen können. Rund 100 Milliarden Yen werden in den Bau einer neuen 8-Zoll-SiC-Waferfabrik und die Verbesserung der zugehörigen Produktionsanlagen fließen. In der neuen Fabrik, zu der auch eine eigene Anlage im Bezirk Shisui der Präfektur Kumamoto gehören wird, werden großkalibrige 8-Zoll-SiC-Wafer hergestellt. Sie wird auch über einen Reinraum mit modernster Energieeffizienz und hochautomatisierter Produktionseffizienz verfügen.
- Im April 2022 nahm Wolfspeed, Inc. seine hochmoderne Siliziumkarbid-Fertigungsanlage im Mohawk Valley in Marcy, New York, in Betrieb. Die branchenweite Umstellung von Silizium- auf Siliziumkarbid-basierte Halbleiter wird von der 200-mm-Waferfabrik angeführt.
Der globale Markt für Elektrofahrzeuge erlebt in den letzten Jahren ein deutliches Wachstum aufgrund mehrerer Faktoren, wie z. B. zunehmende staatliche Initiativen für Elektrofahrzeuge (EVs), sinkende Preise für EV-Batterien, die Entwicklung öffentlicher und privater Lademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge, die Weiterentwicklung von EV-Ladetechnologien über drahtlose Mittel und vieles mehr. Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research wird der globale Markt für Elektrofahrzeuge voraussichtlich von 2023 bis 2030 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 20,35 % wachsen.
Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter:https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-electric-vehicle-market
Empfehlungen für die Halbleiterindustrie in Zukunft hin zu einer neuen Wafergröße
Aufgrund der anhaltenden Halbleiterknappheit gibt es auch Diskussionen über eine Erweiterung der Produktionskapazitäten und die Weiterentwicklung der derzeit größten produzierten Wafergröße von 300 mm (11,8/12 Zoll).
Dies bedeutet, dass alle zukünftigen FAB- und OSAT-Designs 300 mm oder sogar 450 mm (17,7/18 Zoll) groß sein müssen, was bisher noch nicht für die Serienproduktion genutzt wurde. Der Hauptstreitpunkt ist, dass FABs und OSATs ihre Kapazität steigern können, wenn sie die Möglichkeit erhalten, mehr Chips pro Flächeneinheit herzustellen. Dies wird zweifellos mit erheblichen Ausgaben verbunden sein, und nur wenige FABs/OSATs werden sich für einen Wafer mit einer Größe von über 200 mm (7,9/8 Zoll) entscheiden.
Die Wafergröße ist ein weiterer Faktor, den die Halbleiterindustrie angesichts der zunehmenden Abhängigkeit von Halbleiterbauelementen berücksichtigen sollte. Der Bau weiterer FABs und OSATs und ihre Ausstattung für zukünftige Anforderungen ist die effektivste Strategie, um jegliche zukünftige Nachfrage zu beseitigen, die den Mangel verursacht. Die FABs/OSATs sollten jetzt mit der Planung für 450 mm beginnen, auch wenn sie zunächst mit einem 200-mm- oder 300-mm-Wafer gebaut und ausgestattet werden. Durch die Annahme eines solchen Plans werden FABs und OSATs auf die zukünftige Nachfrage vorbereitet, die zweifellos die Gesamtkapazität übersteigen könnte, die in naher Zukunft verfügbar sein wird.
Es sind strenge Maßnahmen erforderlich, um die Verwendung von Wafergrößen zu fördern, die deutlich größer sind als die derzeit hergestellten, vor allem 450 mm. Die folgende Roadmap bietet eine umfassende Erklärung der Gründe, warum eindeutige Maßnahmen in Richtung größerer Wafergrößen ergriffen werden sollten.
Kapazität: Angesichts der Knappheit an Halbleitern ist die heutige Kapazität – die auf einer Vielzahl von Wafergrößen basiert – zweifellos unzureichend. Eine Erhöhung der Anzahl von FABs und OSATs wird die Kapazität zweifellos steigern, aber nicht so stark wie eine Erhöhung der Wafergröße. Die Unternehmen, die Halbleiter herstellen, müssen die langfristigen Kosten berücksichtigen, die entstehen, wenn sie mit der Umstellung auf größere Wafergrößen warten. Wafer-FABs/OSATs im 300-mm-Bereich können der Ausgangspunkt sein und bis 450 mm reichen.
FAB-LITE: Eine weitere Strategie zur Handhabung der Wafergröße ist die Entwicklung einiger spezialisierter Halbleiter-FABs und OSATs, die ausschließlich für zukünftige riesige Wafergrößen gedacht sind. Dabei könnte es sich um Einrichtungen handeln, die ausschließlich für Wafer-FABs/OSATs mit Abmessungen von 450 oder 675 mm (26,6/27 Zoll) vorgesehen sind. Diesem Plan zufolge werden die neuen Gebäude in Zukunft als Forschungs- und Entwicklungszentren für größere Wafergrößen dienen. Mit fortschreitender Technologie wird die Massenproduktion durch die geringeren Kosten bei Verwendung dieser größeren Wafergrößen möglich.
Zusammenarbeit: Die Einrichtung von FABs und OSATs, die größere Wafergrößen verarbeiten können, ist kostspielig. Die einzige Möglichkeit, diese Kosten zu senken, besteht darin, verschiedene Hersteller zusammenzubringen und in clusterbasierte Einrichtungen zu investieren, die verschiedene Kundenkreise bedienen. Obwohl sich daraus zweifellos IP- und andere vertrauliche Fragen ergeben, kann die Kapazität für größere Wafergrößen nicht ohne Zusammenarbeit erhöht werden.
Zielknoten: Für bestimmte Technologieknoten können auch größere Wafergrößen verwendet werden. Bei diesem Ansatz können die erforderlichen Investitionen und die Herstellungskosten ausgeglichen werden. Ältere Knoten mit zuverlässigeren Prozessen sind möglicherweise die am besten geeigneten Knoten als solche mit aufkommenden neuen Technologien. Dies kann zweifellos auch die Verwendung größerer Wafergrößen fördern.
Effizienz: Letztendlich steigern größere Wafergrößen die Effizienz, da mehr Teile in der gleichen Zeit ausgeliefert werden. Solange die Produktionstechnologie wirtschaftlich ist, gleichen sich die Gesamtkosten und Investitionen aus. Dies ist nur ein weiteres Argument für größere Wafergrößen in der Halbleiterindustrie.
Abschluss
Der Mangel an Produktionskapazität für 8-Zoll-Wafer ist hauptsächlich auf die anhaltend steigende Nachfrage nach diesen Mixed-Signal-Prozessoren und Leistungsbauelementen zurückzuführen. Es scheint, dass Gießereien ihre Kapazitäten erweitern würden, da das Angebot an 8-Zoll-Wafern auf einem Allzeithoch ist. Darüber hinaus sind Gießereien daran interessiert, 8-Zoll-Produktionslinien und zugehörige Maschinen von IDMs zu kaufen. Es wurde beobachtet, dass derzeit nur sehr wenige Lieferanten 8-Zoll-Halbleiterausrüstung produzieren, was bedeutet, dass der Preis für solche Ausrüstung plötzlich gestiegen ist; seit 2019 herrscht ein ernsthafter Mangel. Dies hat dazu geführt, dass einige Gießereien den Preis für 8-Zoll-Wafer für ihre Kunden erhöht haben.
Es wurde beobachtet, dass bestimmte IC-Hersteller ihre aktuellen Designs von 8-Zoll-Linien mit 180 nm und 350 nm auf neuere Linien mit 12-Zoll-Wafer übertragen. Darüber hinaus bieten viele Gießereien geeignete 130-nm-Prozesse an, die auf 12-Zoll-Wafer hergestellt werden, was als Backup oder primäre Quelle genutzt werden kann, um zukünftige Kapazitätsanforderungen zu erfüllen und die Lieferkette geografisch zu diversifizieren.
Unternehmen, die derzeit Silizium auf 8-Zoll-Wafer verwenden, sollten eine Bewertung ihres zukünftigen Bedarfs priorisieren, da die aktuellen Engpässe als Warnung zu verstehen sind. Wenn eine erhebliche Menge an Kapazität benötigt wird, sollten sie über eine Migration auf einen 12-Zoll-Knoten nachdenken und sich die Zeit nehmen, den Prozess entweder in der primären oder sekundären Produktionsanlage abzuschließen.
