"Mini Wafer Fab" ajuda o Japão a recuperar seu pico?

Embora o Japão esteja atualmente construindo uma fábrica de semicondutores de 2 nanômetros e em parceria com a TSMC para construir outras fábricas no país, essa estratégia não é vista por muitos como eficaz. Para a indústria japonesa de semicondutores, o desenvolvimento de produtos acabados (semicondutores) pode ser alcançado aproveitando ao máximo os recursos disponíveis em equipamentos e materiais. A capacidade de lidar com essa enorme tarefa reside nas "mini fábricas de wafers".

Acredita-se geralmente que a produção de semicondutores exige investimentos maciços. Por um lado, a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e outras empresas do setor de fundição de semicondutores estão se desenvolvendo rapidamente; por outro lado, a demanda cada vez maior tem levado a prazos de entrega cada vez mais longos. Para solucionar o problema dos longos prazos de entrega e da baixa velocidade de resposta na indústria de semicondutores, o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) vem desenvolvendo "mini fábricas de wafers" desde 2008. As "mini fábricas de wafers" se caracterizam pela capacidade de produzir pequenas quantidades e múltiplas variedades de semicondutores, trazendo novas tendências para a indústria de produção de semicondutores.

As fábricas de mini wafer têm sido tradicionalmente usadas apenas para prototipagem, mas para aplicá-las rapidamente à produção em massa, os pesquisadores da AIST estabeleceram a "Hundred Semiconductors Company" em dezembro de 2022 (localizada na cidade de Kashiwa, província de Chiba, Japão). O nome da empresa contém o significado de "fornecer aos clientes vários tipos de semicondutores". Seu diretor representante, Sr. Fumihito Kuramura, disse: “Planejamos criar um mundo onde qualquer pessoa possa projetar e produzir semicondutores”.

Uma das vantagens das fábricas de mini wafer é a capacidade de produzir qualquer número de semicondutores, mesmo que seja apenas um. Ao contrário da produção em massa, a sua vantagem reside na produção de pequenas quantidades e múltiplas variedades.

As fábricas de mini wafers não usam wafers tradicionais de grande porte, mas fazem circuitos em "wafers de meia polegada" com um diâmetro de 12.5 cm. O tamanho do equipamento de produção é 30cm (largura) * 144cm (altura) * 45cm (profundidade), e pode realizar diversos processos, como exposição. Também pode ser utilizado em conjunto com o equipamento da “Mega Fab (mega wafer fab)”. Como o tamanho dos equipamentos utilizados em cada processo é semelhante, robôs podem ser utilizados para transportar wafers entre equipamentos.

Além disso, as fábricas de mini wafer também apresentam um "Mini Shuttle" que pode selar "wafers de meia polegada", eliminando a necessidade de salas limpas. Embora seja difícil aplicá-lo à produção de semicondutores ultraavançados, há muita capacidade para produzir produtos como sensores e sistemas microeletromecânicos (MEMS).

Uma das vantagens das mini fábricas de wafer é que elas podem reduzir o investimento em equipamentos. Em geral, as mega fábricas de wafer exigem investimentos de dezenas de bilhões de ienes (ou até mais) em equipamentos. Por outro lado, a meta de investimento para fábricas de mini wafer é de 1/100 a 1/1000 disso. Como o tamanho de todos os tipos de equipamentos é relativamente pequeno, não requer terrenos para fábricas em grande escala, nem "fotomáscaras" usadas para formar linhas, então a diferença de custo em comparação com mega fábricas de wafer é enorme.

Além disso, o ciclo de entrega das mini fábricas de wafer é extremamente curto. Para a produção de semicondutores em larga escala, o tempo desde a produção até a entrega é extremamente longo; as fábricas de mini wafer adotam um modo "Just In Time" de produzir a quantidade necessária no momento necessário.

Espera-se que as características acima desempenhem um papel na produção de pequenas quantidades e múltiplas variedades de semicondutores na direção da IoT (Internet das Coisas). O Diretor Representante Kuramura disse: "Como o volume de pedidos do cliente é pequeno, podemos atender pedidos pequenos que as Fundições não conseguem atender."

Desde o lançamento do projeto em 2008, a AIST vem desenvolvendo equipamentos de produção e “Half Inch Wafers”. Ao mesmo tempo, a fim de promover mini wafer fabs o mais rápido possível, a AIST estabeleceu uma "agência de promoção de mini wafer fab" na cidade de Tsukuba, província de Ibaraki, Japão em 2017, mas o progresso foi lento porque não conseguiram encontrar jogadores que poderia usar com proficiência mini fábricas de wafer. O Diretor Representante Kuramura disse: "Comercializamos o equipamento de produção e o Half Inch Wafer antecipadamente, mas não encontramos pessoas e empresas talentosas que possam usar fábricas de mini wafer com proficiência."

Para promover ainda mais as fábricas de mini wafer, a Hundred Semiconductors Company está se concentrando em protótipos de semicondutores e pedidos que as mega fábricas de wafer não conseguem acomodar. As fábricas de mini wafer estão trabalhando na solução de problemas passo a passo, como tomar decisões de negócios complexas (como prever com precisão a demanda do cliente e avaliar a viabilidade do investimento) e passar da prototipagem para a produção em massa. Ao aceitar pedidos que as mega fábricas de wafer não conseguem absorver, eles promoverão ainda mais as mini fábricas de wafer.

Hoje, a Hundred Semiconductors Company está promovendo ativamente atividades de design, prototipagem e produção em massa de semicondutores. O objetivo é compartilhar experiências com os clientes para atingir o objetivo de popularizar a tecnologia de produção. Ao mesmo tempo, continuarão a melhorar a velocidade de melhoria dos protótipos para avançar rapidamente para a produção em massa.

Além disso, a AIST também está promovendo o desenvolvimento de software de design que pode ser usado em fábricas de mini wafers. Seu objetivo é desenvolver um PDK (Process Design Kit) para semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) dentro de um ano. Além disso, para facilitar seu uso, eles estão considerando padronizar projetos de linhas básicas e priorizar sua aplicação em P&D. No futuro, a prototipagem será realizada no AIST Seaside Urban Center (Koto-ku, Tóquio) e no Tsukuba Center (cidade de Tsukuba, província de Ibaraki).

Além disso, a AIST está a explorar novas aplicações. Por exemplo, considerando a questão do consumo de energia, a AIST está a discutir preencher a lacuna que os circuitos integrados (FPGA, programáveis) não conseguem preencher, com o objectivo de fornecer e popularizar mais serviços de design e desenvolvimento de processos. AIST disse: "Podemos responder e atender com flexibilidade aos requisitos personalizados".

AIST concluiu o desenvolvimento de processos front-end (linhas de formação), colagem e outros processos. A meta para os próximos cinco anos é integrar substratos de embalagem em "Half Inch Wafers". Isto permitirá que os semicondutores sejam embalados em áreas menores e reduza o consumo de energia enquanto explora mais cenários de aplicação.

Para promover ainda mais as fábricas de mini wafers, o objetivo da AIST é expandir o volume de produção de "Half Inch Wafers" para atingir uma produção anual de 50,000 peças após cinco anos. No futuro, eles não só planejam ter sua própria base de produção, mas também realizar a produção por conta própria. O Diretor Representante Kuramura destacou: "Para as empresas participantes da agência de promoção, as mini fábricas de wafer são apenas uma opção. Aproveitaremos totalmente o papel dos líderes para promover este modelo de produção".

O tema principal da indústria de semicondutores sempre foi “produção em massa, consumo em massa”, mas as fábricas de mini wafer podem fornecer aos clientes a quantidade necessária quando necessário. No entanto, por outro lado, também enfrenta o desafio de aprofundar a base de clientes e cultivar uma base de clientes com múltiplas necessidades. Ao mesmo tempo, a AIST também está trabalhando duro para desenvolver tecnologia para fornecer produção de semicondutores e serviços de design para muitos clientes.