Semikonduktor Jepang: Pabrik Wafer Mini (Bagian II)

"Mini Wafer Fab" Membantu Jepang Mendapatkan Kembali Puncaknya?

Meskipun Jepang saat ini sedang membangun pabrik semikonduktor 2 nanometer dan bermitra dengan TSMC untuk membangun pabrik di Jepang, hal ini tidak dianggap sebagai strategi yang efektif oleh banyak pihak. Bagi industri semikonduktor Jepang, pengembangan produk jadi (semikonduktor) dapat dicapai dengan memanfaatkan sepenuhnya kekuatan peralatan dan material. Kekuatan yang dapat menangani tugas besar ini berasal dari "pabrik wafer mini".

Secara umum diyakini bahwa produksi semikonduktor membutuhkan investasi besar-besaran. Di satu sisi, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) dan bisnis foundry semikonduktor perusahaan lain berkembang pesat di industri ini; di sisi lain, permintaan yang terus meningkat telah menyebabkan waktu pengiriman semikonduktor yang semakin lama. Untuk mengatasi masalah waktu pengiriman yang lama dan kecepatan respons yang lambat di industri semikonduktor, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) telah mengembangkan "mini wafer fabs" sejak tahun 2008. "Mini wafer fabs" dicirikan oleh kemampuannya untuk memproduksi semikonduktor dalam jumlah kecil dan berbagai macam jenis, membawa tren baru ke industri produksi semikonduktor.

Pabrik wafer mini secara tradisional hanya digunakan untuk pembuatan prototipe, tetapi agar dapat segera menerapkannya pada produksi massal, peneliti AIST mendirikan "Hundred Semiconductors Company" pada bulan Desember 2022 (terletak di Kota Kashiwa, Prefektur Chiba, Jepang). Nama perusahaan mengandung arti "menyediakan berbagai jenis semikonduktor kepada pelanggan". Direktur perwakilannya, Bapak Fumihito Kuramura, berkata, "Kami berencana menciptakan dunia di mana siapa pun dapat merancang dan memproduksi semikonduktor."

Salah satu keunggulan pabrik wafer mini adalah kemampuannya memproduksi semikonduktor dalam jumlah berapa pun, bahkan hanya satu. Berbeda dengan produksi massal, keunggulannya terletak pada produksi dalam jumlah kecil dan banyak varietas.

Pabrik wafer mini tidak menggunakan wafer tradisional berukuran besar, melainkan membuat sirkuit pada "Wafer Setengah Inci" dengan diameter 12.5 cm. Ukuran peralatan produksi adalah 30cm (lebar) * 144cm (tinggi) * 45cm (kedalaman), dan dapat melakukan banyak proses seperti pemaparan. Dapat juga digunakan bersama dengan peralatan "Mega Fab (mega wafer fab)". Karena ukuran peralatan yang digunakan dalam setiap proses serupa, robot dapat digunakan untuk mengangkut wafer antar peralatan.

Selain itu, pabrik wafer mini juga dilengkapi dengan "Mini Shuttle" yang dapat menyegel "Wafer Setengah Inci", sehingga tidak memerlukan ruangan yang bersih. Meskipun sulit untuk diterapkan pada produksi semikonduktor ultra-canggih, terdapat banyak kapasitas untuk menghasilkan produk seperti sensor dan sistem mikro-elektromekanis (MEMS).

Salah satu keunggulan pabrik wafer mini adalah dapat mengurangi investasi peralatan. Secara umum, pabrik wafer besar memerlukan investasi peralatan sebesar puluhan miliar yen (atau bahkan lebih tinggi). Sebaliknya, target investasi pabrik wafer mini adalah 1/100 hingga 1/1000 dari jumlah tersebut. Karena ukuran semua jenis peralatan yang relatif kecil, tidak memerlukan lahan pabrik skala besar, juga tidak memerlukan "photomask" yang digunakan untuk membentuk garis, sehingga selisih biaya dibandingkan dengan pabrik mega wafer sangat besar.

Selain itu, siklus pengiriman pabrik wafer mini sangat singkat. Untuk produksi semikonduktor skala besar, waktu dari produksi hingga pengiriman sangatlah lama; pabrik wafer mini mengadopsi mode "Just In Time" untuk memproduksi jumlah yang diperlukan pada waktu yang diperlukan.

Karakteristik di atas diharapkan berperan dalam produksi semikonduktor dalam jumlah kecil dan beragam menuju IoT (Internet of Things). Direktur Perwakilan Kuramura mengatakan, "Karena volume pesanan pelanggan kecil, kami dapat menangani pesanan kecil yang tidak dapat ditangani oleh Foundries."

Sejak meluncurkan proyek ini pada tahun 2008, AIST telah mengembangkan peralatan produksi dan "Wafer Setengah Inci". Pada saat yang sama, untuk mempromosikan pabrik wafer mini sesegera mungkin, AIST mendirikan "agen promosi pabrik wafer mini" di Kota Tsukuba, Prefektur Ibaraki, Jepang pada tahun 2017, namun kemajuannya lambat karena mereka tidak dapat menemukan pemain yang bisa mahir menggunakan pabrik wafer mini. Direktur Perwakilan Kuramura berkata, "Kami telah mengkomersialkan peralatan produksi dan Wafer Setengah Inci sejak dini, namun kami belum menemukan orang dan perusahaan berbakat yang dapat menggunakan pabrik wafer mini dengan baik."

Untuk lebih mempromosikan pabrik wafer mini, Hundred Semiconductors Company berfokus pada prototipe semikonduktor dan pesanan yang tidak dapat diakomodasi oleh pabrik wafer besar. Pabrik wafer mini berupaya memecahkan masalah langkah demi langkah, seperti membuat keputusan bisnis yang kompleks (seperti memprediksi permintaan pelanggan secara akurat dan menilai kelayakan investasi) dan beralih dari pembuatan prototipe ke produksi massal. Dengan menerima pesanan yang tidak dapat diserap oleh pabrik wafer mega, mereka akan semakin mempromosikan pabrik wafer mini.

Saat ini, Seratus Perusahaan Semikonduktor secara aktif mempromosikan desain semikonduktor, pembuatan prototipe, dan aktivitas produksi massal. Tujuannya adalah untuk berbagi pengalaman dengan pelanggan guna mencapai tujuan mempopulerkan teknologi produksi. Pada saat yang sama, mereka akan terus meningkatkan kecepatan peningkatan prototipe agar cepat menuju produksi massal.

Selain itu, AIST juga mendorong pengembangan perangkat lunak desain yang dapat digunakan untuk pabrik wafer mini. Tujuannya adalah untuk mengembangkan PDK (Process Design Kit) untuk semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) dalam waktu satu tahun. Selain itu, agar lebih mudah digunakan, mereka mempertimbangkan standarisasi desain lini dasar dan memprioritaskan penerapannya dalam Penelitian dan Pengembangan. Kedepannya, pembuatan prototipe akan dilakukan di AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tokyo) dan Tsukuba Center (Kota Tsukuba, Prefektur Ibaraki).

Selain itu, AIST sedang menjajaki aplikasi baru. Misalnya, dengan mempertimbangkan masalah konsumsi daya, AIST sedang mendiskusikan cara untuk mengisi kesenjangan yang tidak dapat dipenuhi oleh sirkuit terpadu (FPGA, yang dapat diprogram), dengan tujuan menyediakan dan mempopulerkan lebih banyak layanan desain dan pengembangan proses. AIST mengatakan, "Kami dapat merespons secara fleksibel dan memenuhi persyaratan khusus."

AIST telah menyelesaikan pengembangan proses front-end (pembentukan garis), bonding, dan proses lainnya. Sasarannya dalam lima tahun ke depan adalah mengintegrasikan substrat kemasan ke dalam "Wafer Setengah Inci". Hal ini akan memungkinkan semikonduktor dikemas dalam area yang lebih kecil dan mengurangi konsumsi daya sambil mengeksplorasi lebih banyak skenario aplikasi.

Untuk lebih mempromosikan pabrik wafer mini, tujuan AIST adalah memperluas volume produksi "Wafer Setengah Inci" untuk mencapai produksi tahunan sebesar 50,000 buah setelah lima tahun. Ke depan, mereka tidak hanya berencana memiliki basis produksi sendiri tetapi juga akan melakukan produksi sendiri. Direktur Perwakilan Kuramura menyatakan, "Bagi perusahaan yang berpartisipasi dalam agen promosi, pabrik wafer mini hanyalah salah satu pilihan bagi mereka. Kami akan sepenuhnya memanfaatkan peran para pemimpin untuk mempromosikan model produksi ini."

Tema utama industri semikonduktor selalu "produksi massal, konsumsi massal", tetapi pabrik wafer mini dapat menyediakan jumlah yang dibutuhkan pelanggan bila diperlukan. Namun, di sisi lain, pihaknya juga menghadapi tantangan untuk menggali lebih dalam basis pelanggan dan membina basis pelanggan dengan berbagai kebutuhan. Pada saat yang sama, AIST juga bekerja keras mengembangkan teknologi untuk menyediakan layanan produksi dan desain semikonduktor bagi banyak pelanggan.