Die Zukunft der Halbleiterherstellung

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EE Zeiten

6. November 2020

Während in den frühen Tagen der Branche eine interne Fertigung sinnvoll war, haben die Konsolidierung und der Erfolg bei der Markteinführung von Foundries es führenden Halbleiterunternehmen ermöglicht, auch ohne eigene Produktionsstätten erfolgreich zu sein. Die meisten Halbleiterunternehmen haben heute keine eigenen Produktionsstätten mehr - und das ist auch nicht nötig. Foundries bieten die erforderliche Größe, Breite und Vielfalt. Sogar Nicht-Halbleiterunternehmen wie Facebook, Amazon und Apple nutzen jetzt das Modell ohne eigene Produktionsstätten, um ihre eigenen Chips zu entwickeln und vertikal zu integrieren.

Das kontinuierliche Aufkommen von Chancen für Halbleiter wie 5G, das Internet der Dinge (IoT) und autonomes Fahren sowie der bewährte Erfolg des Foundry-Modells veranlassen Halbleiterunternehmen, ihre Wachstums- und Produktionsstrategien zu überdenken.

Fortschrittliche Verpackung

Die Produktionswertschöpfungskette verlagert sich von komplexen integrierten Schaltkreisen (ICs) und Siliziumtechnik hin zu fortschrittlichem Packaging wie 2,5D, 3D-IC, Fan-out und System-in-Package. Ziel ist es, die Kosten zu senken, die Anpassung an Kundenwünsche zu ermöglichen und die Erträge zu verbessern, indem modulare Komponenten vertikal gestapelt werden und gleichzeitig die Grenzen der Halbleiterfertigung umgangen werden. Die jahrzehntelange Fähigkeit des Moore'schen Gesetzes, die Wafer-Kapazität zu verdoppeln, ist zwar nach wie vor gültig, bietet aber für einen immer breiter gefächerten Kundenstamm nicht mehr den zwingenden Vorteil, den er einst hatte.

Die Kunden verlangen ein höheres Maß an Individualisierung, um immer spezifischere Marktanforderungen zu erfüllen. Diese erfordern nicht unbedingt die kleinsten und fortschrittlichsten Chips, was bedeutet, dass Halbleiterunternehmen die Herstellung optimieren können, um die Kundenbedürfnisse mit den Waferkosten in Einklang zu bringen.

Ein kürzlich veröffentlichtes Modell des Center for Security and Emerging Technologies (CEST) zeigt, dass ein einziger 300mm-Wafer auf 5nm-Basis fast 17.000 Dollar kostet.

Die Vermeidung dieser hohen Kosten ist ein offensichtlicher Vorteil für Unternehmen. In Verbindung mit der Erkenntnis, dass nicht alles in einen einzigen Chip passen muss, konzentrieren sich die Halbleiterunternehmen bei der Herstellung von Innovationen auf modulare Designs, die auf die Anwendung und die Kundenbedürfnisse zugeschnitten sind, anstatt die fortschrittlichsten Knotenpunkte zu bauen. Der Schlüssel liegt darin, 10-15 modulare Bausteine zu entwickeln, die in verschiedenen Produkten verwendet werden können, um viele Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Mit diesem Ansatz verlagern sich die Prioritäten und Fähigkeiten auf technische Kompatibilität, Qualität und Zuverlässigkeit.

Zum Beispiel erfordert der Übergang zu 5G fehlerfreie, innovative Chips mit höheren Erträgen. Aufgrund der Empfindlichkeit des 5G-Signals müssen die Ingenieure sicherstellen, dass die Umgebung des Chips ordnungsgemäß kontrolliert wird, um Rauschen und Signalstörungen zu beseitigen. Mit einem modularen Ansatz können die Ingenieure die höchstmögliche Leistung des Chips in der Umgebung, für die er entwickelt wurde, sicherstellen.

Verbesserungen in der Backend-Produktion werden in Zukunft entscheidend sein. In der Vergangenheit wurden die meisten Ausgaben für die Front-End-Fertigung getätigt, während die Back-End-Fertigung eher nachrangig behandelt wurde. Jetzt wird dem Backend mehr Aufmerksamkeit gewidmet, zusammen mit der Implementierung neuer Qualitätsfunktionen. Die Art und Weise, wie Qualitätsorganisationen Defekte erkennen und beheben, ist komplex, aber Qualitätsorganisationen können auch von der Verwendung älterer, stabilerer Technologie in diesen Modulen profitieren, so dass sie sich auf die neuen Anforderungen an Qualität und Rückverfolgbarkeit konzentrieren können.

Ein Beispiel: Die Qualität des Siliziums mag zwar bei älteren, robusteren Technologien im Vordergrund stehen, aber sie gewinnt auch erheblich an Bedeutung. Durch die Kombination mehrerer Chips wird jeder einzelne Fehler viel kostspieliger, und es muss zusätzlich darauf geachtet werden, dass die Rückverfolgbarkeit und Verfolgung aller Teile eines modularen Chipsatzes vom Wafer bis zum Endprodukt gewährleistet ist.

Chancen im Bereich Automotive und Industrial IoT

Neben 5G bieten auch der Automobil- und der IoT-Markt erhebliche Wachstumschancen. Die Fertigungsanforderungen für diese Anwendungen unterscheiden sich jedoch stark von den herkömmlichen Anforderungen für Desktops, Laptops und rechenintensive Server.

Ein neues Auto benötigt bis zu 8.000 aktive Halbleiter in bis zu 100 miteinander verbundenen Steuereinheiten. Diese Zahl wird weiter steigen, wenn neue Funktionen, Sicherheits-, Infotainment- und Vernetzungsmöglichkeiten in zukünftige Autos implementiert werden - von Bluetooth-Verbindungen bis hin zu Sensoren und Kameras, die autonomes Fahren unterstützen.

Wenn Leben auf dem Spiel stehen, ist ein Ausfall keine Option. Extrem hohe Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit bei großen Temperaturschwankungen gehören zu den wichtigsten Anforderungen von Automobilanwendungen. Außerdem müssen die Halbleiterchips, die in Autos verbaut werden, 10-12 Jahre halten. Daher sind hohe Qualität und Langlebigkeit der Produkte wichtiger als die Verwendung der modernsten Technologieknoten.

Auch für industrielle IoT-Anwendungen (IIoT) ist die Ausfallsicherheit von entscheidender Bedeutung. So müssen beispielsweise die zahlreichen Sensoren, die für den sicheren und effizienten Betrieb von Ölplattformen benötigt werden, in einer Umgebung, in der ein sofortiger Austausch von Teilen nicht möglich ist, kostengünstig und äußerst zuverlässig sein.

Wir können davon ausgehen, dass fortschrittliche Verpackungen auch anderen IIoT-Segmenten zugute kommen werden, wobei die Bereiche Telekommunikation und Infrastruktur weiterhin führend sein werden. Laut Quince Market Insights wird der globale Markt für das industrielle Internet der Dinge von 2020 bis 2028 voraussichtlich mit einer CAGR von 21,3 % wachsen, wobei die Fortschritte in der Fertigung einer der wichtigsten Faktoren sind.

Mit dem Wachstum der Halbleiterchips für eine Reihe von Anwendungen, die sich immer weiter ausbreiten, gibt es einen Platz für alle Arten der Herstellung. Ältere Technologien haben sich als unglaublich widerstandsfähig erwiesen. Die Kombination dieser bewährten Technologien mit fortschrittlicheren in einem modularen Paket kann innovative Designs schaffen, die Qualität sichern und die Kosten senken.