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ST中国区总裁介绍半导体制造战略:加大第三代半导体垂直整合,与客户长期双赢 8 [- F) P& l1 t 导读& L6 \ y) s' m& J1 Z0 C" F. a 对于ST而言,芯片设计和制造同样重要。ST在制造上的战略规划正在逐步实施,将会帮助其实现200亿美元营收和2027碳中和两大目标。而因为芯片制造漫长而又复杂,所以芯片厂商需要客户及早分享设计方案及生产计划,这样才能实现长期的双赢。7 H _5 I3 |6 q1 a* Y
在半导体行业,如果要为整个晶圆厂的洁净室换气,所需的时间仅需七秒。 利用一吨沙子, 可以制造出5000片8英寸晶圆。 ) m6 k; N4 P! N9 } 如果想知道晶圆厂制造一颗晶片的整个工序所经历的流程长度,答案是40公里左右。 ; i5 g$ g7 i$ ?& L" L 在很多情况下,半导体芯片的尺寸比跳蚤、毛发和病毒等都要小很多。目前,晶体管的尺寸可以是10纳米,或者是7纳米、5纳米、甚至是3纳米。# s( J; G) E: e" E1 `' ~$ i4 O ![]() ![]() ![]() ▲意法半导体执行副总裁、中国区总裁曹志平 (HENRY CAO) 加大产能投资,坚持垂直整合,和客户长期双赢 + P4 g7 i" R4 z1 N! S- v2 V5 ~9 Q 芯片的制造周期非常长,包括了晶片制造、电测、封装测试和成品测试等环节,再加上产品的运输,总周期长达20~35周不等。而这项业务的周期之长,也就是整个业务的复杂性和挑战所在。半导体的制造,尤其是大批量的客户的需求,更需要客户和芯片制造商之间保持密切的沟通,确保客户需求和制造产量达到合理的匹配水平。“我们需要客户尽早与我们分享他们的设计方案和生产计划,告知我们他们需要何种产品以及需要的数量,这样我们才能实现长期的双赢。”曹志平分享道,“如果需求发生变化,也许客户会受到伤害,因为我们可能没有做好满足需求的准备;也许半导体制造商会受到伤害,因 为我们可能生产了很多客户不再需要的产品,而让它们成为库存。所以,这就是管理这类业务的复杂性所在。”* ~( ]* X9 T) _( c" ?% r 0 Y' `, B. k8 t+ R* M 为了实现和客户的长期双赢,ST一直坚持IDM的策略,在全球布局制造业,并且推动自己制造低碳化转型。扩大内部产能同时辅以外部分包使其更具灵活性和产能保证,对于差异化的产品研发和制造,ST坚持在内部完成,但对于一些标准的生产和封装,可以分包给外部的供应商;同时也和业界领先的晶圆厂开展技术研发合作,共同进行前道技术的创新。 ![]() SiC衬底制造是ST整体战略的一部分,将打造全球SiC技术创新中心 1 v- y& ~( Z. o2 i7 P# A( P. j1 C 得益于近年来汽车电气化和低碳化的趋势推动,业界对于SiC需求增长强劲,观察在去年的半导体下行周期中,仍取得亮眼业绩表现的芯片原厂,无不来自其对在该领域的业务增长。ST从2017年开始量产碳化硅器件,目前其车规级碳化硅出货量已经突破一亿。相比2020年,ST在2022的SiC产能增长了2.5倍以上,并且产能扩张还在继续进行中。0 B3 L" e1 r9 d9 L * Y! n/ k, J% p$ u* [0 F4 P 曹志平表示,对于像碳化硅这样的新技术,尽可能多地控制整个制造链非常重要(包括碳化硅衬底、前工序晶圆制造、后工序封测和定制SiC功率模块),ST会尽全力掌握这些关键步骤。而当前,ST的SiC衬底主要分别从美国和日本的两家衬底供应商手里,采购6英寸(150 毫米) 衬底晶圆。针对SiC垂直整合,ST以及制定了非常详细的计划,包含四个方面:7 v! j M4 \, ] ~/ R ( {4 ?0 s4 j0 ]1 B% r2 e ✦ 供应链垂直整合:2019年第四季度完成对Norstel AB 公司(现更名为 ST SiC AB)收购: B( _. H# V- N' a ✦ 2020年第一季度首次内部供应6英寸(150毫米)衬底+ \" ]4 F! x% u9 q ✦ 2021年第三季度推出首批8英寸(200毫米)晶圆样品,预计2024年前量产5 C% r Y$ s3 P9 p5 Y8 B4 X ✦ 规划建设新厂,目标到2024年实现内部采购比例超40% ( t% u: k) j) w 对于Norstel AB的收购,让ST掌握了上游SiC衬底的制造能力,具备了完整的SiC垂直制造链。随着Norstel AB技术的引进,ST在意大利卡塔尼亚的建厂计划也随之展开,一个总价约7.3 亿欧元(约8亿美元)的衬底晶圆厂正在建设中。新加坡工厂作为ST最大的工厂,其产能也实现了翻倍。制造成本上也迎来了突破,ST SiC AB工厂已经推出了首批内部用8英寸原型晶圆,预计2024年前会实现8英寸晶圆的量产。 曹志平表示,将衬底整合到制造链,不仅是为了控制成本和产量,还是为了获得更好的良率。而与Soitec在SmartSiC技术上展开的合作,可以在降低成本的同时,提高产品性能。2 N" ?- r) @6 Z / s- Z. v5 S7 V4 b5 o 目前,碳化硅衬底是从单晶碳化硅晶棒上切割下来的圆片,这种方法的缺点是单晶碳化晶棒很薄,只能获得数量有限的晶片,成本居高不下。而通过 SmartSiC制造工艺,可以在多晶碳化硅衬底上掺杂电阻率更低的单晶碳化硅层。从去年12月宣布与Soitec合作之后,ST接下来都将在产前测试合格后启用SmartSiC技术。 另一个值得关注的是,ST将会在意大利卡塔尼亚打造一个全球SiC技术创新中心。 其实ST是世界上第一家进行BCD技术开发的公司,在BCD方面有着深厚的技术积累。ST 在碳化硅领域的先驱地位要归功于25年持续的专注和研发投入,以及大量关键技术专利组合。卡塔尼亚不仅将成为ST的SiC衬底的制造重镇,还将整合ST的研发和制造优势,团结周边优势资源,成为全球的SiC技术创新中心。据悉,ST在卡塔尼亚与不同的机构和企业保持长期的合作关系,包括卡塔尼亚大学、 CNR-意大利国家研究委员会、设备及产品制造企业,以及供应商网络等。通过加大投资,ST将夯实卡塔尼亚工厂作为全球碳化硅技术创新中心的地位,并带来进一步发展机会。& t- V4 u ^& n4 n/ g ![]() 射频和功率GaN两手抓,布局未来潜力市场 除了SiC外,GaN被视为是另一种即将迎来大规模商用机遇的第三代半导体器件。据行业分析机构预测,整个功率市场在2021-2026年间复合年增长率约9%,从195亿增长到302亿美元。但即便到2026年,功率GaN在整个市场的占比仍然很小,最多占比10%。GaN这项技术仍具有非常好的前景,将成为功率晶体管市场的关键器件之一。 ![]() ST在法国图尔拥有8英寸功率GaN晶圆厂,其外延衬底研发能力和试制生产线也已经准备就绪。2022年已经完成了晶圆厂的生产认证,将在2023年开始量产和增产。在意大利卡塔尼亚,还有一座6英寸射频GaN晶圆厂,该厂在已经在2022年完成了晶圆厂生产认证。+ N- v( ~7 C! ^, h- m% E6 P P . G8 I4 n! c: \% G 加大混合芯片制造技术创新,开展广泛技术合作 # X+ T. ]! O: ?+ z! t' F. ] j 除了上述提到的功率器件外,ST在数字芯片和射频、模拟芯片领域也有着广泛且优势的产品组合,对于这些芯片的制造,ST也制定了投资和技术创新策略。 , m: p# n+ b& j3 i4 Y& k/ h! U) | 在产能方面,ST着力于12英寸晶圆厂的产能提升。ST斥巨资投资了两个工厂:一个是位于法国的克罗尔,另一个则位于意大利的阿格拉特。ST目标是在今年的产能基础上,截至2025年将12英寸晶圆的产能提高一倍。得益于高塔半导体(Tower Semiconductor) 的产能共享,意大利阿格拉特工厂实现了快速的产能拉升,在去年10月首个晶圆生产批次成功下线,预计将在2023年上半年安排大部分的生产认证。 ![]() * U3 V# x" A2 T% @; F, A 通过数字孪生技术,ST将克罗尔工厂的制造工艺同步引进到阿格拉特工厂,加快了阿格拉特工厂的生产认证。两个工厂的路线图保持一致,设计方案相互兼容,所有的建厂和投产流程都实现了加速,而且两个工厂都能够通过协同合作并充分发挥对方的丰富经验。曹志平表示,“展望未来,ST甚至可以利用这个技术,加快许多其他12英寸晶圆厂的产能提升。因此,所有这些晶圆厂都将可以利用大量的协同效应和已有的经验。” @' ~8 K: p" x! [ 在制造技术的创新方面,ST关注更适合混合信号应用的FD-SOI技术,并与业界领先的晶圆厂展开前道技术合作。. e4 E- b6 x( A* ^4 w" k1 a3 j FD-SOI(全耗尽型绝缘体上硅)是一种平面工艺技术,在实际简化制造工艺的同时,还可减少硅的几何形状。得益于晶体管的严格静电控制和极具创新性的电源管理技术,FD-SOI被公认为低功率、RF和毫米波应用的领先技术。对于汽车应用而言,这项技术技术支持汽车行业的全数字化和软件定义汽车架构转型、以及无人驾驶技术。ST是FD-SOI技术创新的先行者,已经生产FD-SOI芯片多年,为各种终端市场提供定制和标准的先进产品。 ![]() 引领未来制造:数字化和可持续 & P* q- w& Y3 b$ s. F6 } 对于ST而言,制造的数字化和可持续并重,而且工厂数字化转型可以进一步促进低碳化生产。ST已经宣布了自己的可持续发展目标,将在2027年实现碳中和。ST针对可持续发展的战略分为两部分,一是通过推出更高能效的芯片和解决方案,间接地来帮助客户减少碳排放;另一方面,针对内部的芯片制造进行升级,直接减少碳排产生。 ![]() 在节水方面,ST积极采取多种措施,尽可能地减少在法国克罗尔工厂、中国深圳工厂、摩洛哥布斯库拉工厂的用水量,并尽可能地循环利用水。最终在2022年,ST每个单位产量用水量比2016年减少12%。5 U2 I8 n; h f5 D2 i9 Z7 Z1 v 据曹志平分享,制造基地的能源管理举措是 ST非常重要的目标。2021年ST所有工厂的EHS环境健康安全团队完成了53个能源管理改进项目,总计节电 35 千兆瓦时。所有这些举措都是为了减少碳排放量,ST已经用水和用电量等方面取得了非常积极的成果。 ![]() 6 U6 x2 u: Z7 ?2 k1 x1 K4 g 结语 9 [5 w' z3 Q& O; L& q目前,ST在欧洲、亚太地区部署了14个工厂,实现了全球化的制造业布局。曹志平表示,在过去三年新冠疫情期间,虽然有时某些地方会因为疫情而被封锁,但ST仍然可以非常顺利地管理生产和供应链,保证客户的多重货源。在前道晶圆制造和后道封测方面,ST都会坚持技术创新和资产投入,这将会支撑ST在未来几年实现200亿美元的营收目标和2027的碳中和目标。" Y( S1 f+ Q$ y- U8 | ![]() |