【導讀】對于ST而言，芯片設計和制造同樣重要。ST在制造上的戰略規劃正在逐步實(shí)施，將會(huì )幫助其實(shí)現200億美元營(yíng)收和2027碳中和兩大目標。而因為芯片制造漫長(cháng)而又復雜，所以芯片廠(chǎng)商需要客戶(hù)及早分享設計方案及生產(chǎn)計劃，這樣才能實(shí)現長(cháng)期的雙贏(yíng)。
芯片的制造周期非常長(cháng)，總周期長(cháng)達20～35周不等。而這項業(yè)務(wù)的周期之長(cháng)，也就是整個(gè)業(yè)務(wù)的復雜性和挑戰所在。我們需要客戶(hù)盡早與我們分享他們的設計方案和生產(chǎn)計劃，告知我們他們需要何種產(chǎn)品以及需要的數量，這樣我們才能實(shí)現長(cháng)期的雙贏(yíng)。
在半導體行業(yè)，如果要為整個(gè)晶圓廠(chǎng)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(chǎng)制造一顆晶片的整個(gè)工序所經(jīng)歷的流程長(cháng)度，答案是40公里左右。
在很多情況下，半導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。
意法半導體執行副總裁、中國區總裁曹志平 (HENRY CAO)通過(guò)上述的舉例，給記者從一個(gè)側面揭示了半導體制造的不同尋常之處。半導體的制造相比其他的制造業(yè)，業(yè)務(wù)復雜、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(kāi)了新的篇章。而后隨著(zhù)遵循著(zhù)摩爾定律的提出和修正，半導體技術(shù)的發(fā)展一路狂奔。在這期間，Fabless的出現加速了整個(gè)半導體行業(yè)的創(chuàng )新發(fā)展；但同時(shí)像ST這樣的廠(chǎng)商，仍保持著(zhù)IDM的公司策略。而在近年來(lái)，隨著(zhù)晶體管微縮困難、第三代半導體技術(shù)出現、地緣政治和疫情影響等，半導體制造的重要性又變得更為凸顯。近日ST專(zhuān)門(mén)召開(kāi)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。
▲意法半導體執行副總裁、中國區總裁曹志平 (HENRY CAO)
加大產(chǎn)能投資，堅持垂直整合，和客戶(hù)長(cháng)期雙贏(yíng)
芯片的制造周期非常長(cháng)，包括了晶片制造、電測、封裝測試和成品測試等環(huán)節，再加上產(chǎn)品的運輸，總周期長(cháng)達20～35周不等。而這項業(yè)務(wù)的周期之長(cháng)，也就是整個(gè)業(yè)務(wù)的復雜性和挑戰所在。半導體的制造，尤其是大批量的客戶(hù)的需求，更需要客戶(hù)和芯片制造商之間保持密切的溝通，確?？蛻?hù)需求和制造產(chǎn)量達到合理的匹配水平?！拔覀冃枰蛻?hù)盡早與我們分享他們的設計方案和生產(chǎn)計劃，告知我們他們需要何種產(chǎn)品以及需要的數量，這樣我們才能實(shí)現長(cháng)期的雙贏(yíng)?！辈苤酒椒窒淼?，“如果需求發(fā)生變化，也許客戶(hù)會(huì )受到傷害，因為我們可能沒(méi)有做好滿(mǎn)足需求的準備；也許半導體制造商會(huì )受到傷害，因 為我們可能生產(chǎn)了很多客戶(hù)不再需要的產(chǎn)品，而讓它們成為庫存。所以，這就是管理這類(lèi)業(yè)務(wù)的復雜性所在?！?/p>
為了實(shí)現和客戶(hù)的長(cháng)期雙贏(yíng)，ST一直堅持IDM的策略，在全球布局制造業(yè)，并且推動(dòng)自己制造低碳化轉型。擴大內部產(chǎn)能同時(shí)輔以外部分包使其更具靈活性和產(chǎn)能保證，對于差異化的產(chǎn)品研發(fā)和制造，ST堅持在內部完成，但對于一些標準的生產(chǎn)和封裝，可以分包給外部的供應商；同時(shí)也和業(yè)界領(lǐng)先的晶圓廠(chǎng)開(kāi)展技術(shù)研發(fā)合作，共同進(jìn)行前道技術(shù)的創(chuàng )新。
對于擴大產(chǎn)能投資是其重要的戰略布局，ST 計劃在2022年至2025年間將12英寸晶圓的內部制造產(chǎn)能擴大一倍。據曹志平分享，ST在2022年資本支出35億美元，其中很大一部分是用于擴大其12英寸(300毫米)晶圓產(chǎn)能。2023年將延續這個(gè)策略，預計資本支出約40億美元，其中很大一部分用于12英寸(300毫米)工廠(chǎng)的擴建。為了應對電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)對于第三代半導體的持續強勁需求，ST也將加大對與SiC以及GaN的技術(shù)研發(fā)投入和垂直整合，通過(guò)并購實(shí)現技術(shù)引入，通過(guò)建廠(chǎng)擴大內部產(chǎn)能。在GaN和SiC方面，ST將在今年年內完成內部生產(chǎn)8英寸(200毫米)晶圓的準備工作；并預計在2024年把SiC襯底的內部供應比率提升到40%。
SiC襯底制造是ST整體戰略的一部分，將打造全球SiC技術(shù)創(chuàng )新中心
得益于近年來(lái)汽車(chē)電氣化和低碳化的趨勢推動(dòng)，業(yè)界對于SiC需求增長(cháng)強勁，觀(guān)察在去年的半導體下行周期中，仍取得亮眼業(yè)績(jì)表現的芯片原廠(chǎng)，無(wú)不來(lái)自其對在該領(lǐng)域的業(yè)務(wù)增長(cháng)。ST從2017年開(kāi)始量產(chǎn)碳化硅器件，目前其車(chē)規級碳化硅出貨量已經(jīng)突破一億。相比2020年，ST在2022的SiC產(chǎn)能增長(cháng)了2.5倍以上，并且產(chǎn)能擴張還在繼續進(jìn)行中。
曹志平表示，對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。而當前，ST的SiC襯底主要分別從美國和日本的兩家襯底供應商手里，采購6英寸(150 毫米) 襯底晶圓。針對SiC垂直整合，ST以及制定了非常詳細的計劃，包含四個(gè)方面：
● 供應鏈垂直整合：2019年第四季度完成對Norstel AB 公司（現更名為 ST SiC AB）收購
● 2020年第一季度首次內部供應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，預計2024年前量產(chǎn)
● 規劃建設新廠(chǎng)，目標到2024年實(shí)現內部采購比例超40%
對于Norstel AB的收購，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(zhù)Norstel AB技術(shù)的引進(jìn)，ST在意大利卡塔尼亞的建廠(chǎng)計劃也隨之展開(kāi)，一個(gè)總價(jià)約7.3 億歐元(約8億美元)的襯底晶圓廠(chǎng)正在建設中。新加坡工廠(chǎng)作為ST最大的工廠(chǎng)，其產(chǎn)能也實(shí)現了翻倍。制造成本上也迎來(lái)了突破，ST SiC AB工廠(chǎng)已經(jīng)推出了首批內部用8英寸原型晶圓，預計2024年前會(huì )實(shí)現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(kāi)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，只能獲得數量有限的晶片，成本居高不下。而通過(guò) 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(kāi)發(fā)的公司，在BCD方面有著(zhù)深厚的技術(shù)積累。ST 在碳化硅領(lǐng)域的先驅地位要歸功于25年持續的專(zhuān)注和研發(fā)投入，以及大量關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)利組合?？ㄋ醽啿粌H將成為ST的SiC襯底的制造重鎮，還將整合ST的研發(fā)和制造優(yōu)勢，團結周邊優(yōu)勢資源，成為全球的SiC技術(shù)創(chuàng )新中心。據悉，ST在卡塔尼亞與不同的機構和企業(yè)保持長(cháng)期的合作關(guān)系，包括卡塔尼亞大學(xué)、 CNR-意大利國家研究委員會(huì )、設備及產(chǎn)品制造企業(yè)，以及供應商網(wǎng)絡(luò )等。通過(guò)加大投資，ST將夯實(shí)卡塔尼亞工廠(chǎng)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)大規模商用機遇的第三代半導體器件。據行業(yè)分析機構預測，整個(gè)功率市場(chǎng)在2021-2026年間復合年增長(cháng)率約9%，從195億增長(cháng)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)，因為它能與SiC技術(shù)互補，滿(mǎn)足客戶(hù)對功率器件的需求。
ST在法國圖爾擁有8英寸功率GaN晶圓廠(chǎng)，其外延襯底研發(fā)能力和試制生產(chǎn)線(xiàn)也已經(jīng)準備就緒。2022年已經(jīng)完成了晶圓廠(chǎng)的生產(chǎn)認證，將在2023年開(kāi)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(chǎng)，該廠(chǎng)在已經(jīng)在2022年完成了晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)認證。
加大混合芯片制造技術(shù)創(chuàng )新，開(kāi)展廣泛技術(shù)合作
除了上述提到的功率器件外，ST在數字芯片和射頻、模擬芯片領(lǐng)域也有著(zhù)廣泛且優(yōu)勢的產(chǎn)品組合，對于這些芯片的制造，ST也制定了投資和技術(shù)創(chuàng )新策略。
在產(chǎn)能方面，ST著(zhù)力于12英寸晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)能提升。ST斥巨資投資了兩個(gè)工廠(chǎng)：一個(gè)是位于法國的克羅爾，另一個(gè)則位于意大利的阿格拉特。ST目標是在今年的產(chǎn)能基礎上，截至2025年將12英寸晶圓的產(chǎn)能提高一倍。得益于高塔半導體(Tower Semiconductor) 的產(chǎn)能共享，意大利阿格拉特工廠(chǎng)實(shí)現了快速的產(chǎn)能拉升，在去年10月首個(gè)晶圓生產(chǎn)批次成功下線(xiàn)，預計將在2023年上半年安排大部分的生產(chǎn)認證。
值得一提的是，這兩座12英寸晶圓廠(chǎng)采用了數字孿生的技術(shù)，法國克羅爾工廠(chǎng)建造時(shí)間要早得多，而目前阿格拉特工廠(chǎng)還在建設中。
通過(guò)數字孿生技術(shù)，ST將克羅爾工廠(chǎng)的制造工藝同步引進(jìn)到阿格拉特工廠(chǎng)，加快了阿格拉特工廠(chǎng)的生產(chǎn)認證。兩個(gè)工廠(chǎng)的路線(xiàn)圖保持一致，設計方案相互兼容，所有的建廠(chǎng)和投產(chǎn)流程都實(shí)現了加速，而且兩個(gè)工廠(chǎng)都能夠通過(guò)協(xié)同合作并充分發(fā)揮對方的豐富經(jīng)驗。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(chǎng)的產(chǎn)能提升。因此，所有這些晶圓廠(chǎng)都將可以利用大量的協(xié)同效應和已有的經(jīng)驗?！?/p>
在制造技術(shù)的創(chuàng )新方面，ST關(guān)注更適合混合信號應用的FD-SOI技術(shù)，并與業(yè)界領(lǐng)先的晶圓廠(chǎng)展開(kāi)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。得益于晶體管的嚴格靜電控制和極具創(chuàng )新性的電源管理技術(shù)，FD-SOI被公認為低功率、RF和毫米波應用的領(lǐng)先技術(shù)。對于汽車(chē)應用而言，這項技術(shù)技術(shù)支持汽車(chē)行業(yè)的全數字化和軟件定義汽車(chē)架構轉型、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)提供定制和標準的先進(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(xiàn)圖，以推進(jìn)下一代汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)等應用上對于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法國克羅爾12寸(300 毫米)工廠(chǎng)附近新建一個(gè)12寸(300 毫米) 聯(lián)營(yíng)廠(chǎng)。該聯(lián)營(yíng)廠(chǎng)的目標是在2026年前達到全部產(chǎn)能，建成后的年產(chǎn)能達到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%。據悉聯(lián)營(yíng)廠(chǎng)將支持包括FD-SOI在內的多種衍生技術(shù)，推動(dòng)ST從28nm邁向18nm的技術(shù)路線(xiàn)，支持ST未來(lái)實(shí)現200億營(yíng)收的目標。此次合作將助力ST的發(fā)展，降低風(fēng)險管控，同時(shí)也會(huì )加強歐洲FD-SOI生態(tài)系統。
引領(lǐng)未來(lái)制造：數字化和可持續
對于ST而言，制造的數字化和可持續并重，而且工廠(chǎng)數字化轉型可以進(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發(fā)展目標，將在2027年實(shí)現碳中和。ST針對可持續發(fā)展的戰略分為兩部分，一是通過(guò)推出更高能效的芯片和解決方案，間接地來(lái)幫助客戶(hù)減少碳排放；另一方面，針對內部的芯片制造進(jìn)行升級，直接減少碳排產(chǎn)生。
新加坡工廠(chǎng)是ST全球產(chǎn)量最大的晶圓廠(chǎng)，ST在該工廠(chǎng)投資3.7億美元，啟動(dòng)了區域集中供冷系統(DCS)項目，通過(guò)管道輸配冷凍水為生產(chǎn)設備降溫，取代數百個(gè)耗電的空調系統。該項目落成后，新加坡工廠(chǎng)每年可節省制冷相關(guān)用電量20%，向環(huán)境減排量多達12萬(wàn)噸碳，相當于其2021年碳排放量的30%。此外，ST大幅提升了摩洛哥庫拉封測廠(chǎng)的可再生電能的比例，從2020年的1%提升到了58%。
在節水方面，ST積極采取多種措施，盡可能地減少在法國克羅爾工廠(chǎng)、中國深圳工廠(chǎng)、摩洛哥布斯庫拉工廠(chǎng)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。2021年ST所有工廠(chǎng)的EHS環(huán)境健康安全團隊完成了53個(gè)能源管理改進(jìn)項目，總計節電 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(zhù)其ST節能減排責任的結束，而是對其產(chǎn)品新的碳足跡追溯的開(kāi)始。ST在設計產(chǎn)品時(shí)，就將芯片整個(gè)生命周期對環(huán)境的影響考慮在內。目前，帶有負責任產(chǎn)品標志的產(chǎn)品在ST的新產(chǎn)品中占比達到63%，負責任產(chǎn)品的營(yíng)收貢獻率為20%。根據歐盟分類(lèi)標準，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內大幅減少溫室氣體排放的產(chǎn)品的營(yíng)收貢獻率為37%。
結語(yǔ)
目前，ST在歐洲、亞太地區部署了14個(gè)工廠(chǎng)，實(shí)現了全球化的制造業(yè)布局。曹志平表示，在過(guò)去三年新冠疫情期間，雖然有時(shí)某些地方會(huì )因為疫情而被封鎖，但ST仍然可以非常順利地管理生產(chǎn)和供應鏈，保證客戶(hù)的多重貨源。在前道晶圓制造和后道封測方面，ST都會(huì )堅持技術(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200億美元的營(yíng)收目標和2027的碳中和目標。
作者：21ic 劉巖軒
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