Semiconductores de Japón: Fábricas de mini obleas (Parte II)

¿"Mini Wafer Fab" ayuda a Japón a recuperar su apogeo?

Aunque Japón está construyendo una fábrica de semiconductores de 2 nanómetros y colaborando con TSMC en la construcción de fábricas en el país, muchos no consideran esta estrategia eficaz. Para la industria japonesa de semiconductores, el desarrollo de productos terminados (semiconductores) se logra aprovechando al máximo sus capacidades en equipos y materiales. La capacidad para afrontar esta enorme tarea reside en las "mini fábricas de obleas".

Generalmente se cree que la producción de semiconductores requiere inversiones masivas. Por un lado, la empresa Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) y otras compañías están desarrollando rápidamente sus negocios de fabricación de semiconductores; por otro lado, la creciente demanda ha provocado tiempos de entrega cada vez más largos. Para solucionar el problema de los largos plazos de entrega y la lentitud en la respuesta en la industria de los semiconductores, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) ha estado desarrollando "mini fábricas de obleas" desde 2008. Estas fábricas se caracterizan por su capacidad para producir pequeñas cantidades y múltiples variedades de semiconductores, lo que representa una nueva tendencia en la industria de la producción de semiconductores.

Tradicionalmente, las mini fábricas de obleas solo se han utilizado para la creación de prototipos, pero para aplicarlas rápidamente a la producción en masa, los investigadores de AIST crearon la "Hundred Semiconductors Company" en diciembre de 2022 (ubicada en la ciudad de Kashiwa, prefectura de Chiba, Japón). El nombre de la empresa contiene el significado de "ofrecer a los clientes múltiples tipos de semiconductores". Su director representante, el Sr. Fumihito Kuramura, afirmó: "Planeamos crear un mundo en el que cualquiera pueda diseñar y producir semiconductores".

Una de las ventajas de las mini fábricas de obleas es la capacidad de producir cualquier cantidad de semiconductores, incluso uno solo. A diferencia de la producción en masa, su ventaja radica en producir pequeñas cantidades y múltiples variedades.

Las mini fábricas de obleas no utilizan las tradicionales obleas de gran tamaño, sino que realizan circuitos en "obleas de media pulgada" con un diámetro de 12.5 cm. El tamaño del equipo de producción es 30 cm (ancho) * 144 cm (alto) * 45 cm (profundidad) y puede realizar muchos procesos, como la exposición. También se puede utilizar junto con el equipo de "Mega Fab (mega wafer fab)". Dado que el tamaño del equipo utilizado en cada proceso es similar, se pueden utilizar robots para transportar obleas entre equipos.

Además, las mini fábricas de obleas también cuentan con un "Mini Shuttle" que puede sellar "obleas de media pulgada", eliminando la necesidad de salas blancas. Si bien es difícil aplicarlo a la producción de semiconductores ultraavanzados, existe mucha capacidad para producir productos como sensores y sistemas microelectromecánicos (MEMS).

Una de las ventajas de las mini fábricas de obleas es que pueden reducir la inversión en equipos. En general, las megafábricas de obleas requieren inversiones de decenas de miles de millones de yenes (o incluso más) en equipos. Por otro lado, el objetivo de inversión para las mini fábricas de obleas es entre 1/100 y 1/1000 de esa cifra. Debido a que el tamaño de todo tipo de equipos es relativamente pequeño, no requiere terrenos industriales a gran escala ni "fotomáscaras" utilizadas para formar líneas, por lo que la diferencia de costo en comparación con las mega fábricas de obleas es enorme.

Además, el ciclo de entrega de las minifabricas de obleas es extremadamente corto. Para la producción de semiconductores a gran escala, el tiempo desde la producción hasta la entrega es extremadamente largo; Las mini fábricas de obleas adoptan un modo "Justo a tiempo" para producir la cantidad necesaria en el momento necesario.

Se espera que las características anteriores desempeñen un papel en la producción de pequeñas cantidades y múltiples variedades de semiconductores en la dirección de IoT (Internet de las cosas). El director representante Kuramura dijo: "Debido a que el volumen de pedidos de los clientes es pequeño, podemos manejar pedidos pequeños que Foundries no puede manejar".

Desde el lanzamiento del proyecto en 2008, AIST ha estado desarrollando equipos de producción y "Obleas de media pulgada". Al mismo tiempo, para promover las mini fábricas de obleas lo antes posible, AIST estableció una "agencia de promoción de mini fábricas de obleas" en la ciudad de Tsukuba, prefectura de Ibaraki, Japón, en 2017, pero el progreso fue lento porque no pudieron encontrar jugadores que podría utilizar con soltura mini fábricas de obleas. El director representante Kuramura dijo: "Hemos comercializado el equipo de producción y la oblea de media pulgada desde el principio, pero no hemos encontrado personas ni empresas con talento que puedan utilizar mini fábricas de obleas de manera competente".

Para promover aún más las mini fábricas de obleas, Hundred Semiconductors Company se está centrando en prototipos de semiconductores y pedidos que las mega fábricas de obleas no pueden atender. Las mini fábricas de obleas están trabajando para resolver problemas paso a paso, como tomar decisiones comerciales complejas (como predecir con precisión la demanda de los clientes y juzgar la viabilidad de la inversión) y pasar de la creación de prototipos a la producción en masa. Al aceptar pedidos que las megafábricas de obleas no pueden absorber, promoverán aún más las minifábricas de obleas.

En la actualidad, Hundred Semiconductors Company promueve activamente actividades de diseño, creación de prototipos y producción en masa de semiconductores. El objetivo es compartir experiencias con los clientes para lograr el objetivo de popularizar la tecnología de producción. Al mismo tiempo, seguirán mejorando la velocidad de mejora de los prototipos para avanzar rápidamente hacia la producción en masa.

Además, AIST también está promoviendo el desarrollo de software de diseño que pueda utilizarse para mini fábricas de obleas. Su objetivo es desarrollar un PDK (Process Design Kit) para semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) en un plazo de un año. Además, para facilitar su uso, se plantean estandarizar los diseños de líneas básicas y priorizar su aplicación en I+D. En el futuro, la creación de prototipos se llevará a cabo en el AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tokio) y el Tsukuba Center (ciudad de Tsukuba, prefectura de Ibaraki).

Además, AIST está explorando nuevas aplicaciones. Por ejemplo, considerando la cuestión del consumo de energía, AIST está discutiendo cómo llenar el vacío que los circuitos integrados (FPGA, programables) no pueden cubrir, con el objetivo de proporcionar y popularizar más servicios de diseño y desarrollo de procesos. AIST dijo: "Podemos responder y cumplir con flexibilidad los requisitos personalizados".

AIST ha completado el desarrollo de procesos iniciales (líneas de formación), unión y otros procesos. El objetivo para los próximos cinco años es integrar sustratos de embalaje en "Half Inch Wafers". Esto permitirá empaquetar semiconductores en áreas más pequeñas y reducir el consumo de energía mientras se exploran más escenarios de aplicación.

Para promover aún más las mini fábricas de obleas, el objetivo de AIST es ampliar el volumen de producción de "Obleas de media pulgada" para lograr una producción anual de 50,000 piezas después de cinco años. En el futuro, no sólo planean tener su propia base de producción sino también llevar a cabo la producción por su cuenta. El director representante Kuramura señaló: "Para las empresas que participan en la agencia de promoción, las mini fábricas de obleas son sólo una opción. Aprovecharemos plenamente el papel de los líderes para promover este modelo de producción".

El tema principal de la industria de los semiconductores siempre ha sido "producción en masa, consumo en masa", pero las mini fábricas de obleas pueden proporcionar a los clientes la cantidad necesaria cuando sea necesario. Sin embargo, por otro lado, también enfrenta el desafío de profundizar en la base de clientes y cultivar una base de clientes con múltiples necesidades. Al mismo tiempo, AIST también está trabajando arduamente para desarrollar tecnología que proporcione servicios de diseño y producción de semiconductores a muchos clientes.