Le passage de la fabrication de plaquettes de 8″ à celle de 12″ pourrait atténuer les pénuries de circuits intégrés

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EETimes

18 mai 2021

Le moins que l'on puisse dire, c'est que la chaîne d'approvisionnement en plaquettes de 8 pouces (200 mm) est quelque peu en difficulté.

Comme l'indique untitre de datant de décembre, "la capacité de production de plaquettes de 8 pouces est en pénurie à des niveaux inimaginables", l'article précisant que "la capacité de production de plaquettes est tellement limitée que la demande des clients en matière de capacité de production a atteint un niveau de panique". Et que de la mi-2021 "au second semestre 2022, les marchés de la logique et de la DRAM seront en rupture de stock".

Ce problème n'est pas nouveau, Trends Force a déclaré à peu près à la même époque que "la capacité des plaquettes de 8 pouces est en grave pénurie depuis le deuxième semestre de l'année 19". Et EE Times a rapporté en février 2020 que "Shortages loom after 8-inch fabs run at 99% capacity in Q1".

Et pour couronner le tout, l'incendie survenu en mars dans une usine Renesas utilisée par GM et d'autres constructeurs automobiles ne peut qu'aggraver la situation. Comme le dit Nikkei, "la perte de semi-conducteurs avancés pourrait aggraver la pénurie mondiale [de puces automobiles]" : "La perte de semi-conducteurs avancés pourrait aggraver la pénurie mondiale [de puces automobiles]".

Les causes de ces problèmes sont multiples, mais elles ont été fortement exacerbées par la pandémie, qui a stimulé la demande pour de nombreux types de produits, notamment les écouteurs, les PC, les téléviseurs, les écrans et les téléphones portables. À cela s'ajoutent des secteurs tels que l'automobile, dont on s'attendait à ce que commence à se remettre de la pandémie cette année. Alors que les produits visent à intégrer de nombreuses fonctions dans un seul SoC, de nombreux produits comportent généralement un circuit intégré numérique accompagné d'une ou plusieurs puces compagnons à signaux mixtes. Celles-ci couvrent des applications telles que la gestion de l'énergie (PMIC), la détection d'images CMOS, la détection d'empreintes digitales, la commande de moteurs et de châssis automobiles, les pilotes d'affichage et les radios RF sub-GHz, et utilisent généralement une technologie de 180 nm ou 350 nm, fabriquée sur des plaquettes de 8 pouces (200 mm).

En bref, l'augmentation continue de la demande de ces puces à signaux mixtes et de ces dispositifs de puissance est la principale raison de la pénurie de capacité de production de plaquettes de 8 pouces.

L'surfre de plaquettes de 8 pouces étant à son point de rupture, on pourrait supposer que les fonderies augmentent leur capacité. Et les fondeurs cherchent à acquérir des lignes de fabrication et des équipements de 8 pouces auprès des IDM. Un exemple récent est celui d'UMC qui serait en pourparlers pour acquérir les lignes de fabrication de 8 pouces de Toshiba.

Toutefois, selon le rapport TrendsForce susmentionné, la grave pénurie observée depuis le deuxième semestre de l'année 19 peut être attribuée au fait qu'il n'y a "presque plus de fournisseurs qui produisent actuellement des équipements semi-conducteurs de 8 pouces, ce qui signifie que le prix de ces équipements a maintenant grimpé en flèche. En outre, comme les prix des plaquettes de 8 pouces sont relativement bas par rapport à ceux des plaquettes de 12 pouces, les fondeurs estiment généralement qu'il n'est pas rentable d'augmenter leurs capacités de 8 pouces". Cette situation a un effet d'entraînement, puisque certaines fonderies augmentent le prix de leurs plaquettes de 8 pouces pour les clients.

En d'autres termes, l'économie des plaquettes de 8 pouces fait de ces pénuries une caractéristique de la chaîne d'approvisionnement plutôt qu'un problème.

Et la situation ne s'améliorera pas. Contrairement aux fonderies de 12 pouces (300 mm) où de nombreuses annonces ont été faites concernant de nouveaux investissements dans la capacité - notamment de TSMC et de GlobalFoundries.

Étant donné qu'il est probable qu'il n'y aura plus de capacité de 8 pouces, certains fournisseurs de circuits intégrés font migrer leurs conceptions existantes des lignes de 8 pouces 180 nm et 350 nm vers des lignes plus récentes utilisant des plaquettes de 12 pouces. De plus, de nombreuses fonderies proposent des procédés 130 nm adaptés, fabriqués sur des plaquettes de 12 pouces, qui peuvent être utilisés comme deuxième ou principale source pour répondre aux besoins futurs en matière de capacité et ajouter une diversité géographique à la chaîne d'approvisionnement.

Propriétés des nœuds de processus de 180 nm par rapport à ceux de 130 nm

Même entre des nœuds de processus similaires tels que 180 nm et 130 nm, ils présentent des propriétés différentes. L'élément clé est la chute du niveau de tension de seuil des transistors, qui correspond à la réduction de la tension d'alimentation du cœur de 1,8 V à 1,5 V, voire 1,2 V. Diverses options de processus sont disponibles pour prendre en charge les IO de 5 V et 3,3 V, et les composants passifs proposés, essentiels pour la conception analogique et RF, sont similaires entre ces nœuds de processus.

Les technologies de 12 pouces présentent certains avantages. Elles utilisent généralement du cuivre pour les interconnexions métalliques, alors que les technologies plus anciennes utilisent de l'aluminium à résistivité plus élevée, ce qui permet des densités de courant plus élevées et une protection contre l'électromigration. Les technologies de 12 pouces supportent également un plus grand nombre de couches métalliques, ce qui, combiné aux dimensions plus petites des transistors, permet d'augmenter la densité des transistors et du routage et donc de réduire la surface de la matrice ou d'augmenter la fonctionnalité pour un prix unitaire donné.

En outre, de nombreuses technologies BCD (bipolaire-CMOS-DMOS) de 180 nm et la plupart de celles de 130 nm prennent en charge des caractéristiques telles que l'isolation par tranchée peu prsuronde (STI) pour une densité plus élevée, une meilleure protection contre le verrouillage et l'isolation du bruit du substrat par rapport à l'isolation par oxydation locale du silicium (LOCOS) utilisée dans la plupart des technologies de 350 nm. Ces caractéristiques amélioreront les performances et la robustesse des circuits.

La lithographie améliorée utilisée pour les nouvelles plaquettes de 12 pouces permet une meilleure adaptation des dispositifs, ce qui améliore le rendement de la fabrication. Une fois de plus, cela permet de réduire le prix de la matrice.

En outre, les nœuds BCD de 130 nm sont désormais des technologies très matures qui surfrent beaucoup plus d'options de traitement, y compris différentes classes de transistors à haute tension, des mémoires non volatiles (OTP, flash), des capuchons MIM, des diodes zener ou Schottky, etc. Cela peut favoriser l'intégration de fonctions analogiques/RF complexes dans des solutions SoC plus compétitives.

Coût ou stabilité de la chaîne d'approvisionnement

Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas de raisons de s'en tenir aux plaquettes de 8 pouces. Millimètre par millimètre, les plaquettes de 8 pouces de 350 nm ont été bon marché - très bon marché.

Cela s'explique par le fait que l'équipement de fabrication est entièrement amorti et que le processus de fabrication est peu complexe (faible nombre de couches). En outre, certains circuits analogiques ne s'adaptent pas toujours aussi bien aux nœuds plus récents, et les puces équivalentes à 130 nm peuvent donc être plus chères que vos 350 nm. Toutefois, dans la plupart des cas, l'impossibilité de fournir votre produit (qu'il s'agisse d'une paire d'écouteurs, d'un téléphone portable ou d'une voiture) en raison d'une pénurie de composants sera plus douloureuse qu'un petit delta de coût dans votre circuit intégré.

En outre, la conception d'un dispositif compatible broche à broche avec des paramètres électriques correspondants peut s'avérer difficile lorsque l'on passe d'un nœud à l'autre en raison des différentes alimentations, de la prise en charge de la tension d'E/S et des différentes caractéristiques des transistors. Chaque conception devrait être analysée pour confirmer qu'elle est possible et qu'elle n'ajoute pas de frais généraux importants, ce qui pourrait être plus facilement résolu en créant une nouvelle conception de carte de circuit imprimé. Il convient de noter que l'écart entre 180 nm et 130 nm est moins important que le passage d'une conception en 350 nm à une conception en 130 nm.

Il convient également de noter à ce stade de la discussion que les fondeurs n'envisagent pas pour l'instant de faire migrer les kits de conception 180 nm 8 pouces vers des lignes 12 pouces. Les entreprises spécialisées dans les ASIC à signaux mixtes (comme EnSilica) vont devoir faire ce travail en commençant par un portage au niveau du schéma ou à partir de la fiche technique du circuit intégré.

Implications

Compte tenu de l'investissement nécessaire à la reconception d'un ASIC, il serait souhaitable d'envisager l'intégration d'autres fonctions susceptibles d'être affectées par les problèmes liés à la chaîne d'approvisionnement en 8 pouces, en particulier le MCU.

La taille réduite de 130 nm permettrait l'intégration de processeurs Arm Cortex M avec un faible coût supplémentaire en silicium. En effet, les performances requises du processeur et les besoins en mémoire seront les facteurs dominants de la viabilité de l'intégration ; quelques millimètres carrés de surface de silicium suffisent pour un processeur bas de gamme, et quelques millimètres de plus permettent d'intégrer de manière rentable 64/128 kB de SRAM.

Pour la mémoire non volatile, OTP, MTP et Flash sont souvent disponibles, donnant une performance de quelques centaines de MHz, ce qui est normalement suffisant pour la plupart de ces types d'applications. Si vous utilisez le Cortex M0 ou M3, qui sont généralement bien adaptés à la technologie 130 nm, vous pouvez commencer par l'outil gratuit (redevances par pièce uniquement) Arm Design Start Pro.

Le calendrier pour reconcevoir un ASIC à partir de sa fiche technique actuelle et le qualifier pour la production serait de l'ordre de 14 à 24 mois en fonction de la complexité, le premier prototype de silicium pourrait être chez vous en moins d'un an. Pour les produits automobiles, de la spécification au PPAP, le délai est plutôt de 24 à 36 mois, là encore en fonction de la complexité. Les budgets typiques pour un ASIC 130 nm varient en fonction de la complexité de la conception et du contenu des licences de propriété intellectuelle, mais commencent à environ 600 000 dollars, pour atteindre environ 4 millions de dollars pour un composant entièrement qualifié AEC-Q100 pour les applications automobiles. Le coût de l'outillage du masque 130 nm sur un processus de 12 pouces est désormais inférieur à 200 000 dollars, ce qui représente une part relativement faible du coût total.

De nombreux dispositifs à signaux mixtes sont fabriqués sur des plaquettes de 8 pouces qui sont en pénurie et le manque d'investissement (causé par un faible retour sur investissement) dans ces lignes de fabrication signifie que les problèmes de chaîne d'approvisionnement sont susceptibles de perdurer.

Les pénuries actuelles doivent être considérées comme un avertissement et les entreprises qui utilisent actuellement du silicium sur des plaquettes de 8 pouces doivent examiner en priorité leur demande future. Si cela nécessite une capacité importante, elles devraient envisager de passer à un nœud de 12 pouces et prévoir suffisamment de temps pour que l'ensemble du processus soit achevé - que ce soit dans l'installation de production principale ou dans l'installation de production de seconde source.