【導(dǎo)讀】對(duì)于ST而言，芯片設(shè)計(jì)和制造同樣重要。ST在制造上的戰(zhàn)略規(guī)劃正在逐步實(shí)施，將會(huì)幫助其實(shí)現(xiàn)200億美元營(yíng)收和2027碳中和兩大目標(biāo)。而因?yàn)樾酒圃炻L(zhǎng)而又復(fù)雜，所以芯片廠商需要客戶及早分享設(shè)計(jì)方案及生產(chǎn)計(jì)劃，這樣才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的雙贏。
芯片的制造周期非常長(zhǎng)，總周期長(zhǎng)達(dá)20～35周不等。而這項(xiàng)業(yè)務(wù)的周期之長(zhǎng)，也就是整個(gè)業(yè)務(wù)的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)所在。我們需要客戶盡早與我們分享他們的設(shè)計(jì)方案和生產(chǎn)計(jì)劃，告知我們他們需要何種產(chǎn)品以及需要的數(shù)量，這樣我們才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的雙贏。
在半導(dǎo)體行業(yè)，如果要為整個(gè)晶圓廠的潔凈室換氣，所需的時(shí)間僅需七秒。
利用一噸沙子， 可以制造出5000片8英寸晶圓。
如果想知道晶圓廠制造一顆晶片的整個(gè)工序所經(jīng)歷的流程長(zhǎng)度，答案是40公里左右。
在很多情況下，半導(dǎo)體芯片的尺寸比跳蚤、毛發(fā)和病毒等都要小很多。目前，晶體管的尺寸可以是10納米，或者是7納米、5納米、甚至是3納米。
意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、中國(guó)區(qū)總裁曹志平 (HENRY CAO)通過上述的舉例，給記者從一個(gè)側(cè)面揭示了半導(dǎo)體制造的不同尋常之處。半導(dǎo)體的制造相比其他的制造業(yè)，業(yè)務(wù)復(fù)雜、非常特殊。
從1947年，第一顆晶體管誕生，隨后在1958年，只集成了一顆晶體管的第一塊集成電路面世，電子產(chǎn)業(yè)就正式揭開了新的篇章。而后隨著遵循著摩爾定律的提出和修正，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展一路狂奔。在這期間，F(xiàn)abless的出現(xiàn)加速了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展；但同時(shí)像ST這樣的廠商，仍保持著IDM的公司策略。而在近年來(lái)，隨著晶體管微縮困難、第三代半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)、地緣政治和疫情影響等，半導(dǎo)體制造的重要性又變得更為凸顯。近日ST專門召開了關(guān)于其制造策略的媒體分享會(huì)，曹志平與記者進(jìn)行了精彩的分享。
▲意法半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、中國(guó)區(qū)總裁曹志平 (HENRY CAO)
加大產(chǎn)能投資，堅(jiān)持垂直整合，和客戶長(zhǎng)期雙贏
芯片的制造周期非常長(zhǎng)，包括了晶片制造、電測(cè)、封裝測(cè)試和成品測(cè)試等環(huán)節(jié)，再加上產(chǎn)品的運(yùn)輸，總周期長(zhǎng)達(dá)20～35周不等。而這項(xiàng)業(yè)務(wù)的周期之長(zhǎng)，也就是整個(gè)業(yè)務(wù)的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)所在。半導(dǎo)體的制造，尤其是大批量的客戶的需求，更需要客戶和芯片制造商之間保持密切的溝通，確保客戶需求和制造產(chǎn)量達(dá)到合理的匹配水平?！拔覀冃枰蛻舯M早與我們分享他們的設(shè)計(jì)方案和生產(chǎn)計(jì)劃，告知我們他們需要何種產(chǎn)品以及需要的數(shù)量，這樣我們才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的雙贏?！辈苤酒椒窒淼溃叭绻枨蟀l(fā)生變化，也許客戶會(huì)受到傷害，因?yàn)槲覀兛赡軟]有做好滿足需求的準(zhǔn)備；也許半導(dǎo)體制造商會(huì)受到傷害，因 為我們可能生產(chǎn)了很多客戶不再需要的產(chǎn)品，而讓它們成為庫(kù)存。所以，這就是管理這類業(yè)務(wù)的復(fù)雜性所在?！?/p>
為了實(shí)現(xiàn)和客戶的長(zhǎng)期雙贏，ST一直堅(jiān)持IDM的策略，在全球布局制造業(yè)，并且推動(dòng)自己制造低碳化轉(zhuǎn)型。擴(kuò)大內(nèi)部產(chǎn)能同時(shí)輔以外部分包使其更具靈活性和產(chǎn)能保證，對(duì)于差異化的產(chǎn)品研發(fā)和制造，ST堅(jiān)持在內(nèi)部完成，但對(duì)于一些標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)和封裝，可以分包給外部的供應(yīng)商；同時(shí)也和業(yè)界領(lǐng)先的晶圓廠開展技術(shù)研發(fā)合作，共同進(jìn)行前道技術(shù)的創(chuàng)新。
對(duì)于擴(kuò)大產(chǎn)能投資是其重要的戰(zhàn)略布局，ST 計(jì)劃在2022年至2025年間將12英寸晶圓的內(nèi)部制造產(chǎn)能擴(kuò)大一倍。據(jù)曹志平分享，ST在2022年資本支出35億美元，其中很大一部分是用于擴(kuò)大其12英寸(300毫米)晶圓產(chǎn)能。2023年將延續(xù)這個(gè)策略，預(yù)計(jì)資本支出約40億美元，其中很大一部分用于12英寸(300毫米)工廠的擴(kuò)建。為了應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車和工業(yè)對(duì)于第三代半導(dǎo)體的持續(xù)強(qiáng)勁需求，ST也將加大對(duì)與SiC以及GaN的技術(shù)研發(fā)投入和垂直整合，通過并購(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)引入，通過建廠擴(kuò)大內(nèi)部產(chǎn)能。在GaN和SiC方面，ST將在今年年內(nèi)完成內(nèi)部生產(chǎn)8英寸(200毫米)晶圓的準(zhǔn)備工作；并預(yù)計(jì)在2024年把SiC襯底的內(nèi)部供應(yīng)比率提升到40%。
SiC襯底制造是ST整體戰(zhàn)略的一部分，將打造全球SiC技術(shù)創(chuàng)新中心
得益于近年來(lái)汽車電氣化和低碳化的趨勢(shì)推動(dòng)，業(yè)界對(duì)于SiC需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁，觀察在去年的半導(dǎo)體下行周期中，仍取得亮眼業(yè)績(jī)表現(xiàn)的芯片原廠，無(wú)不來(lái)自其對(duì)在該領(lǐng)域的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。ST從2017年開始量產(chǎn)碳化硅器件，目前其車規(guī)級(jí)碳化硅出貨量已經(jīng)突破一億。相比2020年，ST在2022的SiC產(chǎn)能增長(zhǎng)了2.5倍以上，并且產(chǎn)能擴(kuò)張還在繼續(xù)進(jìn)行中。
曹志平表示，對(duì)于像碳化硅這樣的新技術(shù)，盡可能多地控制整個(gè)制造鏈非常重要（包括碳化硅襯底、前工序晶圓制造、后工序封測(cè)和定制SiC功率模塊），ST會(huì)盡全力掌握這些關(guān)鍵步驟。而當(dāng)前，ST的SiC襯底主要分別從美國(guó)和日本的兩家襯底供應(yīng)商手里，采購(gòu)6英寸(150 毫米) 襯底晶圓。針對(duì)SiC垂直整合，ST以及制定了非常詳細(xì)的計(jì)劃，包含四個(gè)方面：
● 供應(yīng)鏈垂直整合：2019年第四季度完成對(duì)Norstel AB 公司（現(xiàn)更名為 ST SiC AB）收購(gòu)
● 2020年第一季度首次內(nèi)部供應(yīng)6英寸（150毫米）襯底
● 2021年第三季度推出首批8英寸（200毫米）晶圓樣品，預(yù)計(jì)2024年前量產(chǎn)
● 規(guī)劃建設(shè)新廠，目標(biāo)到2024年實(shí)現(xiàn)內(nèi)部采購(gòu)比例超40%
對(duì)于Norstel AB的收購(gòu)，讓ST掌握了上游SiC襯底的制造能力，具備了完整的SiC垂直制造鏈。隨著Norstel AB技術(shù)的引進(jìn)，ST在意大利卡塔尼亞的建廠計(jì)劃也隨之展開，一個(gè)總價(jià)約7.3 億歐元(約8億美元)的襯底晶圓廠正在建設(shè)中。新加坡工廠作為ST最大的工廠，其產(chǎn)能也實(shí)現(xiàn)了翻倍。制造成本上也迎來(lái)了突破，ST SiC AB工廠已經(jīng)推出了首批內(nèi)部用8英寸原型晶圓，預(yù)計(jì)2024年前會(huì)實(shí)現(xiàn)8英寸晶圓的量產(chǎn)。
曹志平表示，將襯底整合到制造鏈，不僅是為了控制成本和產(chǎn)量，還是為了獲得更好的良率。而與Soitec在SmartSiC技術(shù)上展開的合作，可以在降低成本的同時(shí)，提高產(chǎn)品性能。
目前，碳化硅襯底是從單晶碳化硅晶棒上切割下來(lái)的圓片，這種方法的缺點(diǎn)是單晶碳化晶棒很薄，只能獲得數(shù)量有限的晶片，成本居高不下。而通過 SmartSiC制造工藝，可以在多晶碳化硅襯底上摻雜電阻率更低的單晶碳化硅層。從去年12月宣布與Soitec合作之后，ST接下來(lái)都將在產(chǎn)前測(cè)試合格后啟用SmartSiC技術(shù)。
另一個(gè)值得關(guān)注的是，ST將會(huì)在意大利卡塔尼亞打造一個(gè)全球SiC技術(shù)創(chuàng)新中心。
其實(shí)ST是世界上第一家進(jìn)行BCD技術(shù)開發(fā)的公司，在BCD方面有著深厚的技術(shù)積累。ST 在碳化硅領(lǐng)域的先驅(qū)地位要?dú)w功于25年持續(xù)的專注和研發(fā)投入，以及大量關(guān)鍵技術(shù)專利組合?？ㄋ醽啿粌H將成為ST的SiC襯底的制造重鎮(zhèn)，還將整合ST的研發(fā)和制造優(yōu)勢(shì)，團(tuán)結(jié)周邊優(yōu)勢(shì)資源，成為全球的SiC技術(shù)創(chuàng)新中心。據(jù)悉，ST在卡塔尼亞與不同的機(jī)構(gòu)和企業(yè)保持長(zhǎng)期的合作關(guān)系，包括卡塔尼亞大學(xué)、 CNR-意大利國(guó)家研究委員會(huì)、設(shè)備及產(chǎn)品制造企業(yè)，以及供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)等。通過加大投資，ST將夯實(shí)卡塔尼亞工廠作為全球碳化硅技術(shù)創(chuàng)新中心的地位，并帶來(lái)進(jìn)一步發(fā)展機(jī)會(huì)。
射頻和功率GaN兩手抓，布局未來(lái)潛力市場(chǎng)
除了SiC外，GaN被視為是另一種即將迎來(lái)大規(guī)模商用機(jī)遇的第三代半導(dǎo)體器件。據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，整個(gè)功率市場(chǎng)在2021-2026年間復(fù)合年增長(zhǎng)率約9%，從195億增長(zhǎng)到302億美元。但即便到2026年，功率GaN在整個(gè)市場(chǎng)的占比仍然很小，最多占比10%。GaN這項(xiàng)技術(shù)仍具有非常好的前景，將成為功率晶體管市場(chǎng)的關(guān)鍵器件之一。
GaN的應(yīng)用主要在射頻和功率器件兩個(gè)方面，而ST采取的策略是雙管齊下，同時(shí)布局功率轉(zhuǎn)換GaN和射頻功率GaN技術(shù)。曹志平表示，ST非常重視GaN技術(shù)，因?yàn)樗芘cSiC技術(shù)互補(bǔ)，滿足客戶對(duì)功率器件的需求。
ST在法國(guó)圖爾擁有8英寸功率GaN晶圓廠，其外延襯底研發(fā)能力和試制生產(chǎn)線也已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。2022年已經(jīng)完成了晶圓廠的生產(chǎn)認(rèn)證，將在2023年開始量產(chǎn)和增產(chǎn)。在意大利卡塔尼亞，還有一座6英寸射頻GaN晶圓廠，該廠在已經(jīng)在2022年完成了晶圓廠生產(chǎn)認(rèn)證。
加大混合芯片制造技術(shù)創(chuàng)新，開展廣泛技術(shù)合作
除了上述提到的功率器件外，ST在數(shù)字芯片和射頻、模擬芯片領(lǐng)域也有著廣泛且優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品組合，對(duì)于這些芯片的制造，ST也制定了投資和技術(shù)創(chuàng)新策略。
在產(chǎn)能方面，ST著力于12英寸晶圓廠的產(chǎn)能提升。ST斥巨資投資了兩個(gè)工廠：一個(gè)是位于法國(guó)的克羅爾，另一個(gè)則位于意大利的阿格拉特。ST目標(biāo)是在今年的產(chǎn)能基礎(chǔ)上，截至2025年將12英寸晶圓的產(chǎn)能提高一倍。得益于高塔半導(dǎo)體(Tower Semiconductor) 的產(chǎn)能共享，意大利阿格拉特工廠實(shí)現(xiàn)了快速的產(chǎn)能拉升，在去年10月首個(gè)晶圓生產(chǎn)批次成功下線，預(yù)計(jì)將在2023年上半年安排大部分的生產(chǎn)認(rèn)證。
值得一提的是，這兩座12英寸晶圓廠采用了數(shù)字孿生的技術(shù)，法國(guó)克羅爾工廠建造時(shí)間要早得多，而目前阿格拉特工廠還在建設(shè)中。
通過數(shù)字孿生技術(shù)，ST將克羅爾工廠的制造工藝同步引進(jìn)到阿格拉特工廠，加快了阿格拉特工廠的生產(chǎn)認(rèn)證。兩個(gè)工廠的路線圖保持一致，設(shè)計(jì)方案相互兼容，所有的建廠和投產(chǎn)流程都實(shí)現(xiàn)了加速，而且兩個(gè)工廠都能夠通過協(xié)同合作并充分發(fā)揮對(duì)方的豐富經(jīng)驗(yàn)。曹志平表示，“展望未來(lái)，ST甚至可以利用這個(gè)技術(shù)，加快許多其他12英寸晶圓廠的產(chǎn)能提升。因此，所有這些晶圓廠都將可以利用大量的協(xié)同效應(yīng)和已有的經(jīng)驗(yàn)?！?/p>
在制造技術(shù)的創(chuàng)新方面，ST關(guān)注更適合混合信號(hào)應(yīng)用的FD-SOI技術(shù)，并與業(yè)界領(lǐng)先的晶圓廠展開前道技術(shù)合作。
FD-SOI（全耗盡型絕緣體上硅）是一種平面工藝技術(shù)，在實(shí)際簡(jiǎn)化制造工藝的同時(shí)，還可減少硅的幾何形狀。得益于晶體管的嚴(yán)格靜電控制和極具創(chuàng)新性的電源管理技術(shù)，F(xiàn)D-SOI被公認(rèn)為低功率、RF和毫米波應(yīng)用的領(lǐng)先技術(shù)。對(duì)于汽車應(yīng)用而言，這項(xiàng)技術(shù)技術(shù)支持汽車行業(yè)的全數(shù)字化和軟件定義汽車架構(gòu)轉(zhuǎn)型、以及無(wú)人駕駛技術(shù)。ST是FD-SOI技術(shù)創(chuàng)新的先行者，已經(jīng)生產(chǎn)FD-SOI芯片多年，為各種終端市場(chǎng)提供定制和標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)產(chǎn)品。
在去年4月，CEA、Soitec、GlobalFoundries(格芯) 和ST宣布聯(lián)合制定下一代FD-SOI技術(shù)發(fā)展路線圖，以推進(jìn)下一代汽車、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)等應(yīng)用上對(duì)于FD-SOI技術(shù)產(chǎn)品引入。在去年7月，ST和GlobalFoundries簽署了一份諒解備忘錄，在ST法國(guó)克羅爾12寸(300 毫米)工廠附近新建一個(gè)12寸(300 毫米) 聯(lián)營(yíng)廠。該聯(lián)營(yíng)廠的目標(biāo)是在2026年前達(dá)到全部產(chǎn)能，建成后的年產(chǎn)能達(dá)到62萬(wàn)片12寸晶圓，其中ST 產(chǎn)能約占42%，格芯產(chǎn)能約占58%。據(jù)悉聯(lián)營(yíng)廠將支持包括FD-SOI在內(nèi)的多種衍生技術(shù)，推動(dòng)ST從28nm邁向18nm的技術(shù)路線，支持ST未來(lái)實(shí)現(xiàn)200億營(yíng)收的目標(biāo)。此次合作將助力ST的發(fā)展，降低風(fēng)險(xiǎn)管控，同時(shí)也會(huì)加強(qiáng)歐洲FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)。
引領(lǐng)未來(lái)制造：數(shù)字化和可持續(xù)
對(duì)于ST而言，制造的數(shù)字化和可持續(xù)并重，而且工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以進(jìn)一步促進(jìn)低碳化生產(chǎn)。ST已經(jīng)宣布了自己的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，將在2027年實(shí)現(xiàn)碳中和。ST針對(duì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略分為兩部分，一是通過推出更高能效的芯片和解決方案，間接地來(lái)幫助客戶減少碳排放；另一方面，針對(duì)內(nèi)部的芯片制造進(jìn)行升級(jí)，直接減少碳排產(chǎn)生。
新加坡工廠是ST全球產(chǎn)量最大的晶圓廠，ST在該工廠投資3.7億美元，啟動(dòng)了區(qū)域集中供冷系統(tǒng)(DCS)項(xiàng)目，通過管道輸配冷凍水為生產(chǎn)設(shè)備降溫，取代數(shù)百個(gè)耗電的空調(diào)系統(tǒng)。該項(xiàng)目落成后，新加坡工廠每年可節(jié)省制冷相關(guān)用電量20%，向環(huán)境減排量多達(dá)12萬(wàn)噸碳，相當(dāng)于其2021年碳排放量的30%。此外，ST大幅提升了摩洛哥庫(kù)拉封測(cè)廠的可再生電能的比例，從2020年的1%提升到了58%。
在節(jié)水方面，ST積極采取多種措施，盡可能地減少在法國(guó)克羅爾工廠、中國(guó)深圳工廠、摩洛哥布斯庫(kù)拉工廠的用水量，并盡可能地循環(huán)利用水。最終在2022年，ST每個(gè)單位產(chǎn)量用水量比2016年減少12%。
據(jù)曹志平分享，制造基地的能源管理舉措是 ST非常重要的目標(biāo)。2021年ST所有工廠的EHS環(huán)境健康安全團(tuán)隊(duì)完成了53個(gè)能源管理改進(jìn)項(xiàng)目，總計(jì)節(jié)電 35 千兆瓦時(shí)。所有這些舉措都是為了減少碳排放量，ST已經(jīng)用水和用電量等方面取得了非常積極的成果。
產(chǎn)品的交付并不意味著其ST節(jié)能減排責(zé)任的結(jié)束，而是對(duì)其產(chǎn)品新的碳足跡追溯的開始。ST在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，就將芯片整個(gè)生命周期對(duì)環(huán)境的影響考慮在內(nèi)。目前，帶有負(fù)責(zé)任產(chǎn)品標(biāo)志的產(chǎn)品在ST的新產(chǎn)品中占比達(dá)到63%，負(fù)責(zé)任產(chǎn)品的營(yíng)收貢獻(xiàn)率為20%。根據(jù)歐盟分類標(biāo)準(zhǔn)，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)大幅減少溫室氣體排放的產(chǎn)品的營(yíng)收貢獻(xiàn)率為37%。
結(jié)語(yǔ)
目前，ST在歐洲、亞太地區(qū)部署了14個(gè)工廠，實(shí)現(xiàn)了全球化的制造業(yè)布局。曹志平表示，在過去三年新冠疫情期間，雖然有時(shí)某些地方會(huì)因?yàn)橐咔槎环怄i，但ST仍然可以非常順利地管理生產(chǎn)和供應(yīng)鏈，保證客戶的多重貨源。在前道晶圓制造和后道封測(cè)方面，ST都會(huì)堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新和資產(chǎn)投入，這將會(huì)支撐ST在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)200億美元的營(yíng)收目標(biāo)和2027的碳中和目標(biāo)。
作者：21ic 劉巖軒
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