"Mini Wafer Fab" aiuta il Giappone a riconquistare il suo apice?

Sebbene il Giappone stia attualmente costruendo una fabbrica di semiconduttori da 2 nanometri e stia collaborando con TSMC per costruire fabbriche in Giappone, questa non è vista da molti come una strategia efficace. Per l’industria giapponese dei semiconduttori, lo sviluppo di prodotti finiti (semiconduttori) può essere ottenuto sfruttando appieno la resistenza delle attrezzature e dei materiali. La potenza necessaria per affrontare questo enorme compito proviene dai "mini wafer fabs".

Si ritiene generalmente che la produzione di semiconduttori richieda ingenti investimenti. Da un lato, le attività di fonderia di semiconduttori di Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e di altre aziende si stanno sviluppando rapidamente nel settore; dall'altro, la domanda in continua crescita ha portato a tempi di consegna sempre più lunghi. Per risolvere il problema dei lunghi tempi di consegna e della lentezza delle risposte nel settore dei semiconduttori, l'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzata (AIST) sta sviluppando dal 2008 le "mini wafer fab". Le "mini wafer fab" si caratterizzano per la capacità di produrre piccole quantità e molteplici varietà di semiconduttori, introducendo nuove tendenze nel settore della produzione di semiconduttori.

I fab di mini wafer sono stati tradizionalmente utilizzati solo per la prototipazione, ma per applicarli rapidamente alla produzione di massa, i ricercatori dell'AIST hanno fondato la "Hundred Semiconductors Company" nel dicembre 2022 (con sede nella città di Kashiwa, prefettura di Chiba, Giappone). Il nome dell'azienda contiene il significato di "fornire ai clienti più tipi di semiconduttori". Il suo direttore rappresentativo, Fumihito Kuramura, ha dichiarato: "Abbiamo intenzione di creare un mondo in cui chiunque possa progettare e produrre semiconduttori".

Uno dei vantaggi delle fabbriche di mini wafer è la capacità di produrre un numero qualsiasi di semiconduttori, anche solo uno. A differenza della produzione di massa, il suo vantaggio sta nella produzione di piccole quantità e di molteplici varietà.

Le Mini Wafer Fabb non utilizzano i tradizionali wafer di grandi dimensioni, ma realizzano circuiti su "Half Inch Wafer" del diametro di 12.5 cm. Le dimensioni dell'attrezzatura di produzione sono 30 cm (larghezza) * 144 cm (altezza) * 45 cm (profondità) e possono eseguire molti processi come l'esposizione. Può essere utilizzato anche in combinazione con l'apparecchiatura "Mega Fab (mega wafer fab)". Poiché le dimensioni delle apparecchiature utilizzate in ciascun processo sono simili, i robot possono essere utilizzati per trasportare i wafer tra le apparecchiature.

Inoltre, le fabbriche di mini wafer sono dotate anche di un "Mini Shuttle" in grado di sigillare "wafer da mezzo pollice", eliminando la necessità di camere bianche. Anche se è difficile da applicare alla produzione di semiconduttori ultra-avanzati, c’è molta capacità per produrre prodotti come sensori e sistemi microelettromeccanici (MEMS).

Uno dei vantaggi delle fabbriche di mini wafer è che possono ridurre gli investimenti in attrezzature. In generale, le mega fabbriche di wafer richiedono investimenti di decine di miliardi di yen (o anche di più) in attrezzature. D’altro canto, l’obiettivo di investimento per le fabbriche di mini wafer è compreso tra 1/100 e 1/1000. Poiché le dimensioni di tutti i tipi di apparecchiature sono relativamente piccole, non richiedono terreni industriali su larga scala, né "fotomaschere" utilizzate per formare linee, quindi la differenza di costo rispetto alle mega fabbriche di wafer è enorme.

Inoltre, il ciclo di consegna dei mini wafer fab è estremamente breve. Per la produzione di semiconduttori su larga scala, il tempo che intercorre tra la produzione e la consegna è estremamente lungo; Le mini fabbriche di wafer adottano la modalità "Just In Time" per produrre la quantità necessaria al momento necessario.

Si prevede che le caratteristiche di cui sopra giocheranno un ruolo nella produzione di piccole quantità e molteplici varietà di semiconduttori nella direzione dell’IoT (Internet of Things). Il Direttore Rappresentativo Kuramura ha dichiarato: "Poiché il volume degli ordini dei clienti è ridotto, possiamo gestire ordini di piccole dimensioni che le Fonderie non sono in grado di gestire".

Dal lancio del progetto nel 2008, AIST ha sviluppato apparecchiature di produzione e "Half Inch Wafer". Allo stesso tempo, al fine di promuovere i mini wafer fab il prima possibile, l'AIST ha istituito una "agenzia di promozione dei mini wafer fab" nella città di Tsukuba, nella prefettura di Ibaraki, in Giappone nel 2017, ma i progressi sono stati lenti perché non riuscivano a trovare giocatori che potrebbe utilizzare abilmente i mini wafer fab. Il direttore rappresentativo Kuramura ha dichiarato: "Abbiamo commercializzato presto l'attrezzatura di produzione e il wafer da mezzo pollice, ma non abbiamo trovato persone e aziende di talento in grado di utilizzare abilmente i fab di mini wafer".

Per promuovere ulteriormente le fabbriche di mini wafer, la Hundred Semiconductors Company si sta concentrando su prototipi e ordini di semiconduttori che le fabbriche di mega wafer non possono soddisfare. Le fabbriche di mini wafer stanno lavorando per risolvere i problemi passo dopo passo, come prendere decisioni aziendali complesse (come prevedere con precisione la domanda dei clienti e valutare la fattibilità degli investimenti) e passare dalla prototipazione alla produzione di massa. Accettando ordini che le fabbriche di mega wafer non possono assorbire, promuoveranno ulteriormente le fabbriche di mini wafer.

Oggi, Hundred Semiconductors Company promuove attivamente attività di progettazione, prototipazione e produzione di massa di semiconduttori. L'obiettivo è condividere l'esperienza con i clienti al fine di raggiungere l'obiettivo di diffondere la tecnologia di produzione. Allo stesso tempo, continueranno a migliorare la velocità di miglioramento dei prototipi per passare rapidamente alla produzione di massa.

Inoltre, l'AIST sta anche promuovendo lo sviluppo di software di progettazione che possa essere utilizzato per le fabbriche di mini wafer. Il suo obiettivo è sviluppare entro un anno un PDK (Process Design Kit) per semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS). Inoltre, per facilitarne l’utilizzo, stanno valutando la possibilità di standardizzare i progetti di linea di base e di dare priorità alla loro applicazione nella ricerca e sviluppo. In futuro, la prototipazione verrà effettuata presso l’AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tokyo) e il Tsukuba Center (Tsukuba City, Prefettura di Ibaraki).

Inoltre, l'AIST sta esplorando nuove applicazioni. Ad esempio, considerando la questione del consumo energetico, l'AIST sta discutendo di colmare il divario che i circuiti integrati (FPGA, programmabili) non possono colmare, con l'obiettivo di fornire e diffondere più servizi di progettazione e sviluppo dei processi. AIST ha affermato: "Possiamo rispondere in modo flessibile e soddisfare requisiti personalizzati".

AIST ha completato lo sviluppo dei processi front-end (linee di formatura), incollaggio e altri processi. L'obiettivo per i prossimi cinque anni è integrare i substrati di imballaggio nei "wafer da mezzo pollice". Ciò consentirà di confezionare i semiconduttori in aree più piccole e di ridurre il consumo energetico esplorando al contempo più scenari applicativi.

Per promuovere ulteriormente le fabbriche di mini wafer, l'obiettivo di AIST è espandere il volume di produzione di "wafer da mezzo pollice" per raggiungere una produzione annua di 50,000 pezzi dopo cinque anni. Per il futuro non solo intendono avere una propria base di produzione, ma anche realizzare la produzione in proprio. Il direttore rappresentativo Kuramura ha sottolineato: "Per le aziende che partecipano all'agenzia di promozione, i mini wafer fabs sono solo un'opzione. Sfrutteremo appieno il ruolo di leader per promuovere questo modello di produzione".

Il tema principale dell'industria dei semiconduttori è sempre stato "produzione di massa, consumo di massa", ma le fabbriche di mini wafer possono fornire ai clienti la quantità richiesta quando necessario. Tuttavia, d’altro canto, deve anche affrontare la sfida di scavare più a fondo nella base di clienti e coltivare una base di clienti con molteplici esigenze. Allo stesso tempo, AIST sta anche lavorando duramente per sviluppare la tecnologia per fornire servizi di produzione e progettazione di semiconduttori a molti clienti.