„Mini Wafer Fab” pomaga Japonii odzyskać szczyt?

Chociaż Japonia buduje obecnie fabrykę półprzewodników 2 nanometrów i współpracuje z TSMC przy budowie fabryk w Japonii, wielu nie uważa tej strategii za skuteczną. W przypadku japońskiego przemysłu półprzewodników rozwój gotowych produktów (półprzewodników) można osiągnąć poprzez pełne wykorzystanie mocnego sprzętu i materiałów. Moc, która może sprostać temu ogromnemu zadaniu, pochodzi z „fabryki mini wafli”.

Powszechnie uważa się, że produkcja półprzewodników wymaga ogromnych inwestycji. Z jednej strony Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) i odlewnie półprzewodników innych firm szybko rozwijają się w branży; z drugiej strony stale rosnący popyt doprowadził do coraz dłuższych czasów dostaw półprzewodników. Aby rozwiązać problem długich terminów dostaw i powolnej reakcji w przemyśle półprzewodników, Narodowy Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii Przemysłowej (AIST) od 2008 roku opracowuje „fabryki mini płytek”. „Fabryki mini płytek” charakteryzują się zdolnością do produkcji małych ilości i wielu odmian półprzewodników, wprowadzając nowe trendy w branży produkcji półprzewodników.

Fabryki mini płytek tradycyjnie wykorzystywano wyłącznie do prototypowania, ale aby szybko zastosować je w masowej produkcji, badacze z AIST założyli w grudniu 2022 r. „Hundred Semiconductors Company” (z siedzibą w mieście Kashiwa w prefekturze Chiba w Japonii). Nazwa firmy zawiera znaczenie „dostarczania klientom wielu rodzajów półprzewodników”. Jej dyrektor przedstawicielski, pan Fumihito Kuramura, powiedział: „Planujemy stworzyć świat, w którym każdy może projektować i produkować półprzewodniki”.

Jedną z zalet fabryk mini płytek jest możliwość wyprodukowania dowolnej liczby półprzewodników, nawet jednego. W odróżnieniu od produkcji masowej, jego zaletą jest produkcja małych ilości i wielu odmian.

W fabrykach mini wafli nie stosuje się tradycyjnych wafli wielkogabarytowych, lecz zamiast tego wykonuje się obwody na „waflach półcalowych” o średnicy 12.5 cm. Rozmiar sprzętu produkcyjnego wynosi 30 cm (szerokość) * 144 cm (wysokość) * 45 cm (głębokość) i może wykonywać wiele procesów, takich jak naświetlanie. Można go również stosować w połączeniu z urządzeniami „Mega Fab (mega fabryka wafli)”. Ponieważ wielkość sprzętu stosowanego w każdym procesie jest podobna, do transportu płytek pomiędzy urządzeniami można wykorzystać roboty.

Ponadto fabryki mini wafli są również wyposażone w „Mini Shuttle”, który może uszczelniać „półcalowe wafle”, eliminując potrzebę utrzymywania czystych pomieszczeń. Chociaż trudno jest zastosować tę technologię do produkcji ultrazaawansowanych półprzewodników, istnieją duże możliwości w zakresie wytwarzania produktów takich jak czujniki i systemy mikroelektromechaniczne (MEMS).

Jedną z zalet fabryk mini płytek jest to, że mogą zmniejszyć inwestycje w sprzęt. Ogólnie rzecz biorąc, megafabryki płytek wymagają inwestycji rzędu dziesiątek miliardów jenów (lub nawet więcej) w sprzęt. Z drugiej strony cel inwestycyjny dla fabryk mini płytek wynosi od 1/100 do 1/1000 tej kwoty. Ponieważ wielkość wszelkiego rodzaju sprzętu jest stosunkowo niewielka, nie wymaga on dużych terenów fabrycznych ani nie wymaga „fotomasek” używanych do formowania linii, więc różnica kosztów w porównaniu z mega fabrykami płytek jest ogromna.

Ponadto cykl dostaw fabryk mini wafli jest wyjątkowo krótki. W przypadku produkcji półprzewodników na dużą skalę czas od produkcji do dostawy jest niezwykle długi; Fabryki mini wafli przyjmują tryb „Just In Time”, polegający na wytwarzaniu niezbędnej ilości w niezbędnym czasie.

Oczekuje się, że powyższe cechy odegrają rolę w produkcji małych ilości i wielu odmian półprzewodników w kierunku IoT (Internet of Things). Dyrektor przedstawicielski Kuramura powiedział: „Ponieważ wielkość zamówień klientów jest niewielka, jesteśmy w stanie obsłużyć małe zamówienia, z którymi Foundries nie jest w stanie sobie poradzić”.

Od uruchomienia projektu w 2008 roku firma AIST opracowuje sprzęt produkcyjny i „półcalowe wafle”. Jednocześnie, aby jak najszybciej wypromować fabryki mini wafli, w 2017 roku firma AIST założyła „agencję promocji fabryk mini wafli” w Tsukuba City w prefekturze Ibaraki w Japonii, ale postęp był powolny, ponieważ nie mogła znaleźć graczy, którzy potrafił sprawnie korzystać z fabryk mini wafli. Dyrektor przedstawicielski Kuramura powiedział: „Wcześnie skomercjalizowaliśmy sprzęt produkcyjny i półcalowe wafle, ale nie znaleźliśmy utalentowanych ludzi i firm, które potrafiłyby sprawnie wykorzystywać fabryki mini wafli”.

Aby dalej promować fabryki mini płytek, firma Hundred Semiconductors Company koncentruje się na prototypach półprzewodników i zamówieniach, których nie są w stanie obsłużyć fabryki mega płytek. Fabryki miniwafrów krok po kroku pracują nad rozwiązywaniem problemów, takich jak podejmowanie złożonych decyzji biznesowych (takich jak dokładne przewidywanie popytu klientów i ocena wykonalności inwestycji) oraz przechodzenie od prototypowania do produkcji masowej. Przyjmując zamówienia, których nie są w stanie przyjąć fabryki mega wafli, będą dalej promować fabryki mini wafli.

Obecnie firma Hundred Semiconductors aktywnie promuje projektowanie półprzewodników, prototypowanie i produkcję masową. Celem jest wymiana doświadczeń z klientami, aby osiągnąć cel, jakim jest popularyzacja technologii produkcji. Jednocześnie będą w dalszym ciągu zwiększać tempo udoskonalania prototypów, aby szybko przejść do produkcji masowej.

Ponadto AIST promuje także rozwój oprogramowania do projektowania, które można wykorzystać w fabrykach mini płytek. Celem projektu jest opracowanie w ciągu roku zestawu PDK (Process Design Kit) dla komplementarnych półprzewodników z tlenku metalu (CMOS). Ponadto, aby ułatwić korzystanie z nich, rozważają standaryzację projektów podstawowych linii i priorytetowe traktowanie ich zastosowania w badaniach i rozwoju. W przyszłości prototypowanie będzie realizowane w AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tokio) i Tsukuba Center (Tsukuba City, prefektura Ibaraki).

Ponadto firma AIST bada nowe zastosowania. Na przykład, biorąc pod uwagę kwestię zużycia energii, AIST omawia wypełnienie luki, której nie są w stanie wypełnić układy scalone (FPGA, programowalne), w celu zapewnienia i popularyzacji większej liczby usług projektowania i opracowywania procesów. AIST powiedział: „Możemy elastycznie reagować i spełniać niestandardowe wymagania”.

Firma AIST zakończyła rozwój procesów front-end (linie formowania), klejenia i innych procesów. Celem na następne pięć lat jest zintegrowanie podłoży opakowaniowych z „Waflami półcalowymi”. Umożliwi to pakowanie półprzewodników na mniejszych obszarach i zmniejszenie zużycia energii przy jednoczesnym badaniu większej liczby scenariuszy zastosowań.

Aby dalej promować fabryki mini wafli, celem AIST jest zwiększenie wolumenu produkcji „Wafli półcalowych”, aby po pięciu latach osiągnąć roczną produkcję na poziomie 50,000 XNUMX sztuk. W przyszłości planują nie tylko posiadanie własnej bazy produkcyjnej, ale także prowadzenie produkcji we własnym zakresie. Dyrektor przedstawicielski Kuramura zauważył: „Dla firm uczestniczących w agencji promocyjnej fabryki mini wafli to tylko jedna z opcji. W pełni wykorzystamy rolę liderów do promowania tego modelu produkcji”.

Główną tematyką przemysłu półprzewodników zawsze była „produkcja masowa, masowa konsumpcja”, ale fabryki mini płytek mogą w razie potrzeby zapewnić klientom wymaganą ilość. Jednak z drugiej strony stoi także przed wyzwaniem głębszego wniknięcia w bazę klientów i rozwijania bazy klientów o wielu potrzebach. Jednocześnie AIST ciężko pracuje nad rozwojem technologii umożliwiającej świadczenie usług w zakresie produkcji i projektowania półprzewodników dla wielu klientów.