Descripción general

Las obleas de silicio proporcionan la base para la fabricación de muchos productos semiconductores avanzados, que a su vez crean la base sobre la que se forma la industria de los semiconductores. A lo largo de unos años se observa un cambio gradual en el tamaño y el diámetro de las obleas de silicio. En última instancia, esto conduce a una nueva ola de discusiones sobre ir más allá del tamaño de oblea actual, debido principalmente a la creciente demanda de productos semiconductores avanzados, principalmente como una forma de mejorar el ritmo al que se producen nuevos FAB y OSAT semiconductores. Actualmente, las obleas de 200 mm (7,9/8 pulgadas) son el foco de la mayoría de FAB y OSAT, y un pequeño número se concentra en obleas de 300 mm (11,8/12 pulgadas). Al final, la selección del tamaño de la oblea depende más de la inversión y la estrategia que de lo técnico. Esto se debe a que cada alteración en el tamaño de la oblea afecta todo el flujo de semiconductores de un extremo a otro.

La necesidad de una capacidad de 200 mm ha aumentado debido al desarrollo de la demanda de aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), móviles y automotrices. Estas aplicaciones están reviviendo la producción de 200 mm e impulsan la necesidad de componentes como alimentación, analógicos, MEMS y sensores. No necesitan procesos de fabricación de última generación. Diferentes fabricantes de dispositivos integrados (IDM) están pasando a la producción de obleas de 8 pulgadas para semiconductores de tercera generación, incluidos GaN y SiC.

Impacto del tamaño de las obleas en la industria de semiconductores

Un factor clave para determinar la construcción de los FAB y OSAT es el tamaño de la oblea. La causa principal es que las herramientas y el equipo necesarios dependen del tamaño de la oblea y, a medida que aumenta el tamaño de la oblea, también aumenta el gasto de construir FAB y OSAT adicionales. Por este motivo, elegir el tamaño de oblea adecuado es fundamental. La selección del tamaño de la oblea depende en última instancia más de la estrategia y la inversión que de lo técnico. Esto se debe a que cada cambio en el tamaño de la oblea afecta el flujo del semiconductor de principio a fin.

Los puntos siguientes demuestran inequívocamente cómo el tamaño de la oblea afecta varios aspectos del proceso de semiconductores. Hay una serie de factores a tener en cuenta al determinar qué tamaño de oblea se utilizará para crear el producto de próxima generación, desde el costo hasta el rendimiento.

Figura 1: Factores considerados al determinar los tamaños de oblea

Rise in the Production Capacity of 8-inch Third-Generation Semiconductors FABss

Tamaño de la oblea: Sin duda, los tamaños de oblea más grandes proporcionan más matrices por unidad de área. La mayor área para crear más matrices eventualmente permite a los FAB y OSAT fabricar y probar/ensamblar más matrices en un período determinado. Esto acelera el ritmo al que se pueden fabricar o ensamblar nuevos productos y también puede beneficiar a la cadena de suministro en algunos casos cuando se aumenta el tamaño de la oblea.

Troquel por oblea: El número de matrices por oblea está directamente relacionado con el tamaño de la oblea, ya que permite a las empresas de diseño de semiconductores estimar la cantidad de reducción de costos. Al final, en comparación con una oblea de mayor tamaño, una oblea más pequeña para un producto muy demandado dará como resultado la maximización de más pedidos de oblea. Por lo tanto, las empresas frecuentemente necesitan invertir más tiempo en sopesar los beneficios y desventajas del uso de obleas desde un punto de vista comercial debido a este delicado acto de equilibrio.

Procedimiento: Como el tamaño de la oblea se considera el parámetro más importante, las instalaciones de fabricación de semiconductores deben planificar y determinar de antemano qué tamaños de oblea admitirán durante los próximos cinco a diez años. La consideración principal es el gasto que supone configurar el proceso necesario para cada actualización del tamaño de la oblea. La mayoría de las instalaciones de semiconductores se han centrado en obleas de 200 mm (7,9/8 pulgadas), ya que permiten el equilibrio entre los aspectos técnicos y comerciales. Sin embargo, el requisito de 300 mm (11,8/12 pulgadas) está obligando a los FAB y OSAT a modernizarse.

Costo: El factor costo también se considera uno de los factores más importantes para desarrollar un producto semiconductor, ya que está dominado por el tamaño de la oblea. Además del costo de la oblea, se deben tener en cuenta los gastos de FAB y OSAT. En comparación con una oblea de 300 mm (11,8/12 pulgadas), el coste de producción y montaje de chips semiconductores será sin duda menor cuando se utilice una oblea de 200 mm (7,9/8 pulgadas). En última instancia, la clave es crear el margen eligiendo el tamaño de oblea adecuado.

Producir: Históricamente, el rendimiento ha disminuido a medida que aumenta el tamaño de la oblea. Cuando un producto se fabrica en una oblea de 200 mm (7,9/8 pulgadas) en lugar de una oblea de 300 mm (11,8/12 pulgadas), el rendimiento de la primera será menor. El rendimiento final será en última instancia comparable, pero a medida que aumentan los tamaños de las obleas, el rendimiento disminuirá principalmente porque lleva más tiempo perfeccionar el proceso del semiconductor. Este proceso mejora a medida que más productos utilizan el mismo tamaño de oblea porque las lecciones aprendidas pueden aplicarse para aumentar el rendimiento total del producto. El rendimiento final también se ve muy influenciado por la manipulación de las obleas y, a medida que aumenta el tamaño de las mismas, se vuelve más difícil reducir el número de pasos del proceso debido a la importante cantidad de matrices por área determinada.

El mercado de equipos de fabricación de semiconductores ha experimentado un crecimiento sustancial debido a la creciente demanda de piezas de semiconductores en vehículos eléctricos e híbridos. Además de esto, el aumento de las unidades de fabricación para la construcción de FAB complementa el crecimiento en el período previsto. Según el análisis de Data Bridge Market Research, se proyecta que el mercado mundial de equipos de fabricación de semiconductores crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 9,5% entre 2022 y 2030.

Para obtener más información sobre el estudio, visite:https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-semiconductor-manufacturing-equipment-market

Destacado sobre el uso de chips en diferentes aplicaciones

Según SEMI, a medida que la industria se acerca a un récord de más de 7,7 millones de obleas por mes (ppm), se espera que los fabricantes de semiconductores a nivel mundial aumenten la capacidad de las fábricas de 200 mm en un 14% entre 2023 y 2026, agregando 12 nuevas FAB de volumen de 200 mm (excluyendo EPI). ).

Los principales impulsores de la inversión de 200 mm son los semiconductores compuestos y de energía, que son esenciales para los sectores automotriz, industrial y de consumo. A medida que aumenta el uso de vehículos eléctricos, se prevé que los avances en los inversores de sistemas de propulsión y las estaciones de carga de vehículos eléctricos, en particular, impulsarán aumentos en la capacidad de las obleas de 200 mm a nivel mundial. El creciente contenido de chips en los vehículos eléctricos y el deseo de acortar los tiempos de carga están impulsando expansiones de capacidad incluso cuando el suministro de chips para automóviles se ha estabilizado.

Para satisfacer la demanda futura, proveedores de chips como STMicroelectronics, Bosch, Fuji Electric, Infineon, Mitsubishi, Onsemi, Rohm y Wolfspeed están acelerando sus proyectos de capacidad de 200 mm.

El mercado mundial de semiconductores de potencia de SiC está experimentando un crecimiento sustancial en los últimos años debido a la creciente demanda de electrónica de potencia en diversas industrias, como la electrónica de consumo, la automoción y la industrial en los países en desarrollo. Esto se debe principalmente a varias ventajas que incluyen diseño compacto, circuito simplificado y capacidad para soportar altas corrientes y voltajes. Según el análisis de Data Bridge Market Research, se proyecta que el mercado mundial de semiconductores de potencia de SiC crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 9,5% entre 2022 y 2030.

Para obtener más información sobre el estudio, visite:https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-sic-power-semiconductor-market

Los fabricantes tienen un fuerte incentivo para acortar los plazos de entrega dada la fuerte demanda de automóviles. Los FAB maduros que producen obleas de seis y ocho pulgadas, que se utilizan principalmente en diferentes unidades de control electrónico de automóviles, pueden encontrar esto como un desafío. Estas obleas suelen ser más antiguas y menos eficientes. Los plazos de producción se pueden acortar aumentando la automatización y aumentando la producción mediante nuevas instalaciones y configuración de herramientas, pero incluso en las instalaciones modernas, estas estrategias son difíciles de adoptar y requieren mucho tiempo. Las fábricas maduras pueden adoptar una estrategia más rigurosa e integral que se concentre en cuatro tareas esenciales para aumentar la producción más rápidamente: mejorar la eficiencia general de los equipos (OEE), controlar la mano de obra de manera proactiva, reducir los riesgos de la infraestructura y gestionar dinámicamente el desempeño.

Según el informe SEMI 200mm Fab Outlook to 2026, la capacidad fabulosa para semiconductores de energía y automoción aumentará en un 34% entre 2023 y 2026. MEMS, analógicos y de fundición ocuparán el tercer y cuarto lugar, con un 8%, 6% y 8%. %, respectivamente, detrás de la Unidad de microprocesador/Unidad de microcontrolador (MPU/MCU), con un 21%.

Perspectivas regionales

Durante el pico de la epidemia de COVID-19 en 2021, Estados Unidos experimentó una escasez abrupta y grave de semiconductores. Numerosas empresas importantes se vieron gravemente afectadas por este déficit, incluidas la electrónica de consumo, los electrodomésticos, las energías renovables y los automóviles. El déficit tuvo graves ramificaciones financieras; El Departamento de Comercio de Estados Unidos estima que redujo el crecimiento económico estadounidense en casi un cuarto de billón de dólares ese año.

Más allá de las ramificaciones financieras, la escasez de chips expuso hasta qué punto numerosas empresas estadounidenses se habían vuelto dependientes de los semiconductores fabricados en Asia. La epidemia fue un despertar desagradable, un shock agudo. Debido a la gran dependencia del país de los semiconductores fabricados en Asia, la economía era susceptible a acontecimientos imprevistos.

La Ley de Creación de Incentivos Útiles para la Producción de Semiconductores y Ciencia (Ley CHIPS) se creó como resultado del impacto financiero. La Ley CHIPS y Ciencia, promulgada el 9 de agosto de 2022, asigna alrededor de 53 mil millones de dólares al avance de la "investigación, el desarrollo, la fabricación y el desarrollo de la fuerza laboral de semiconductores estadounidenses", como se indica en un comunicado de prensa de la Casa Blanca. En el momento.

La Unión Europea reveló una estrategia similar en abril de 2023. La Ley Europea de Chips tiene como objetivo específico duplicar la cuota de mercado global de la industria de semiconductores del 10% al 20% para 2030 asignando 43 mil millones de euros, o aproximadamente 47 mil millones de dólares, a la 27 estados miembros.

En un intento por lograr una mayor independencia en la fabricación de semiconductores, Europa y Estados Unidos están lanzando actualmente proyectos masivos de construcción para construir sus propias instalaciones de fabricación de semiconductores.

Por ejemplo,

Para hacer que las economías sean más resistentes a futuras crisis geopolíticas, Estados Unidos y los países europeos están fortaleciendo sus cadenas de suministro y aumentando la cantidad de chips fabricados en el país.

Figura 2: Nueva capacidad equivalente a 200 mm, por región, (2022-2025)

Rise in the Production Capacity of 8-inch Third-Generation Semiconductors FABss

 

 

Fuente: análisis DBMR

Según el análisis de Data Bridge Market Research, la región de Asia y el Pacífico tiene una participación importante en la capacidad de fábricas de 200 mm y 300 mm, en comparación con otras regiones, como Europa, Medio Oriente y América. Esto se debe principalmente a una infraestructura avanzada, una presencia significativa de actores del mercado, una sólida inversión en investigación y desarrollo y estrictas iniciativas gubernamentales para la adopción, entre otras cosas. Además, se considera que la región de Asia y el Pacífico es el mayor mercado de semiconductores, con países como China, Taiwán y Japón.

Figura 3: Cuota de mercado estimada para la nueva capacidad de producción de 200 mm, por región, (2022-2025)

Rise in the Production Capacity of 8-inch Third-Generation Semiconductors FABss

Fuente: análisis DBMR

En cuanto a la fabricación, China sigue siendo líder en lo que respecta a inversiones para la expansión de la producción de 300 mm, así como de 200 y 150 mm. Los IDM de Main Power están construyendo nuevas líneas de 300 mm o ampliando las existentes. El ecosistema incluye empresas como Bosch, Toshiba, Infineon Technologies y Nexperia. Se están construyendo algunas líneas de 200 mm en todo el mundo y las líneas de 150 mm se están convirtiendo a 200 mm. Aparte de eso, los IDM de potencia que compiten por una capacidad de SiC de 200 mm incluyen Wolfspeed, Infineon Technologies, CRCC y otros.

Iniciativas adoptadas por diferentes fabricantes para aumentar la capacidad de producción

A continuación se presentan algunas de las iniciativas estratégicas tomadas por diferentes fabricantes para aumentar la capacidad de producción:

El mercado mundial de vehículos eléctricos está experimentando un crecimiento significativo en los últimos años debido a varios factores, como el aumento de las iniciativas gubernamentales hacia los vehículos eléctricos (EV), la reducción de los precios de las baterías de los vehículos eléctricos, el desarrollo de la carga de vehículos eléctricos públicos y privados, el avance de las tecnologías de carga de vehículos eléctricos a través de medios inalámbricos y mucho más. Según el análisis de Data Bridge Market Research, se proyecta que el mercado mundial de vehículos eléctricos crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 20,35% entre 2023 y 2030.

Para obtener más información sobre el estudio, visite:https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-electric-vehicle-market

Recomendaciones para la industria de semiconductores en el futuro hacia un nuevo tamaño de oblea

La actual crisis de escasez de semiconductores también está provocando debates sobre la ampliación de la configuración y la búsqueda del mayor tamaño de oblea que se produce actualmente, 300 mm (11,8/12 pulgadas).

Esto implica exigir que todos los diseños futuros de FAB y OSAT elijan 300 mm o incluso 450 mm (17,7/18 pulgadas), que aún no se han empleado para la fabricación a gran escala. El principal punto de discordia es que al darles a las FAB y OSAT los medios para producir más matrices por unidad de espacio, pueden mejorar su capacidad. Sin duda, esto requerirá un gasto importante y pocos FAB/OSAT elegirán una oblea de más de 200 mm (7,9/8 pulgadas).

El tamaño de la oblea es otro factor que la industria de los semiconductores debería considerar dada la creciente dependencia de los dispositivos semiconductores. Construir más FAB y OSAT y equiparlos para requisitos futuros es la estrategia más eficaz para eliminar cualquier demanda futura que provoque la escasez. Los FAB/OSAT deberían comenzar a planificar para 450 mm ahora, incluso si primero se construyen y equipan con una oblea de 200 mm o 300 mm. Al adoptar un plan de este tipo, los FAB y OSAT estarán preparados para la demanda futura, que sin duda puede superar la capacidad total a la que se podrá acceder en un futuro próximo.

Se necesitan medidas firmes para fomentar el uso de tamaños de oblea que sean significativamente mayores que los que se fabrican actualmente, principalmente 450 mm. La hoja de ruta a continuación ofrece una explicación completa de las razones por las que se deben tomar distintas acciones en dirección a tamaños de oblea más grandes.

Capacidad: Dada la escasez de semiconductores, la capacidad actual (que se basa en una variedad de tamaños de obleas) es sin duda insuficiente. Sin duda, aumentar el número de FAB y OSAT aumentará la capacidad, pero no tanto como aumentar el tamaño de la oblea. Las empresas que producen semiconductores deben considerar los costos a largo plazo de posponer la actualización a tamaños de obleas más grandes. Los FAB/OSAT de oblea en el rango de 300 mm pueden ser el punto de partida y pueden llegar hasta 450 mm.

FAB-LITE: El desarrollo de algunos FAB y OSAT semiconductores especializados que sirvan exclusivamente para futuros tamaños de obleas enormes es otra estrategia para gestionar el tamaño de las obleas. Podrían ser instalaciones dedicadas a obleas FAB/OSAT con dimensiones de 450 o 675 mm (26,6/27 pulgadas). Según este plan, los nuevos edificios servirán en el futuro como centros de investigación y desarrollo para obleas de mayor tamaño. A medida que avance la tecnología, la fabricación en masa será posible gracias al menor coste que supone el uso de estos tamaños de oblea más grandes.

Cooperación: Es costoso configurar FAB y OSAT que puedan procesar obleas de mayor tamaño. Reunir a varios fabricantes e invertir en instalaciones basadas en clústeres que atiendan a diversos clientes es la única opción para reducir este gasto. Si bien sin duda surgirán cuestiones de propiedad intelectual y otras cuestiones confidenciales, la capacidad centrada en obleas de mayor tamaño no se puede aumentar sin cooperación.

Nodo objetivo: Para nodos tecnológicos particulares, también se pueden emplear tamaños de oblea más grandes. En este enfoque, se pueden equilibrar la inversión necesaria y el costo de fabricación. Los nodos más antiguos con procesos más confiables que aquellos con nuevas tecnologías futuras pueden ser los nodos más apropiados. Sin duda, esto también puede fomentar el uso de tamaños de oblea más grandes.

Eficiencia: En última instancia, al enviar más piezas en el mismo período de tiempo, los tamaños de oblea más altos mejoran la eficiencia. Mientras la tecnología de producción sea económica, el costo total y la inversión se igualarán. Este es sólo otro argumento a favor de obleas de mayor tamaño en la industria de los semiconductores.

Conclusión

La falta de capacidad de producción de obleas de 8 pulgadas se debe principalmente al continuo aumento de la demanda de estos procesadores de señales mixtas y dispositivos de potencia. Parecería que las fundiciones estarían ampliando su capacidad ya que la oferta de obleas de 8 pulgadas está en su punto más alto. Además, las fundiciones están interesadas en comprar líneas de producción de 8 pulgadas y maquinaria relacionada de IDM. Se ha observado que actualmente muy pocos proveedores producen equipos semiconductores de 8 pulgadas, lo que significa que el precio de dichos equipos ha aumentado repentinamente y ha habido una grave escasez desde 2019. Esto ha provocado que algunas fundiciones hayan aumentado el precio de los equipos semiconductores de 8 pulgadas. obleas de pulgadas a sus clientes.

Se ha observado que algunos fabricantes de circuitos integrados están transfiriendo sus diseños actuales de líneas de 8 pulgadas con 180 nm y 350 nm a líneas más nuevas con obleas de 12 pulgadas. Además, una gran cantidad de fundiciones proporcionan procesos apropiados de 130 nm producidos en obleas de 12 pulgadas, que pueden emplearse como fuente primaria o de respaldo para cumplir con los requisitos de capacidad futuros y diversificar geográficamente la cadena de suministro.

Las organizaciones que actualmente utilizan silicio en obleas de 8 pulgadas deberían priorizar una evaluación de sus necesidades futuras, ya que la escasez actual debe interpretarse como una advertencia. Si se necesita una cantidad sustancial de capacidad, deberían pensar en migrar a un nodo de 12 pulgadas y darse el tiempo para terminar el proceso en la planta de producción de fuente primaria o secundaria.


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