L'avenir de la fabrication des semi-conducteurs

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EE Times

6 novembre 2020

Si la fabrication en interne avait du sens dans les premiers temps de l'industrie, la consolidation et la rapidité de mise sur le marché des fonderies ont permis aux principales entreprises de semi-conducteurs d'être compétitives sans avoir leurs propres usines de fabrication. Aujourd'hui, la plupart des entreprises de semi-conducteurs n'ont pas leurs propres usines - et elles n'en ont pas besoin. Les fonderies surfrent l'échelle, l'étendue et la diversité nécessaires. En fait, même des entreprises qui ne fabriquent pas de semi-conducteurs, comme Facebook, Amazon et Apple, tirent désormais parti du modèle sans usine pour concevoir leurs propres puces et s'intégrer verticalement.

L'émergence continue d'opportunités pour les semi-conducteurs, telles que la 5G, l'internet des objets (IoT) et la conduite autonome, ainsi que le succès avéré du modèle de fonderie, poussent les entreprises de semi-conducteurs à reconsidérer leurs stratégies de croissance et de fabrication.

Emballage avancé

La chaîne de valeur de la fabrication s'éloigne des circuits intégrés complexes et de l'ingénierie du silicium pour s'orienter vers des emballages avancés tels que 2,5D, 3D-IC, fan out et system-in-package. L'objectif est de réduire les coûts, de permettre la personnalisation et d'améliorer les rendements en empilant verticalement des composants modulaires tout en contournant les limites de la fabrication des semi-conducteurs. La capacité de la loi de Moore à doubler la capacité des plaquettes, qui s'est maintenue pendant des décennies, n'surfre plus un avantage aussi convaincant que par le passé à une clientèle de plus en plus diversifiée.

Les clients recherchent des niveaux de personnalisation plus élevés pour répondre aux besoins de plus en plus spécifiques du marché. Ceux-ci ne requièrent pas nécessairement les puces les plus petites et les plus avancées, ce qui signifie que les entreprises de semi-conducteurs peuvent optimiser la fabrication afin d'équilibrer les besoins des clients et les coûts des tranches de silicium.

Un modèle récent du Center for Security and Emerging Technologies (CEST) a montré qu'une seule plaquette de 300 mm construite en 5 nm coûte près de 17 000 dollars.

Éviter ces coûts élevés est un avantage évident pour les entreprises. Conscientes que tout ne doit pas nécessairement se trouver à l'intérieur d'une seule puce, les entreprises de semi-conducteurs concentrent leurs innovations en matière de fabrication sur des conceptions modulaires qui répondent aux besoins des applications et des clients, plutôt que sur la construction des nœuds les plus avancés. L'essentiel est de créer de 10 à 15 éléments modulaires qui peuvent être utilisés dans la conception de différents produits pour répondre à de nombreux besoins d'application. Avec cette approche, les priorités et les compétences se déplacent vers la compatibilité, la qualité et la fiabilité de l'ingénierie.

Par exemple, la transition vers la 5G exige des puces innovantes et sans faille à des rendements plus élevés. En raison de la sensibilité du signal 5G, les ingénieurs doivent s'assurer que l'environnement autour de la puce est correctement contrôlé afin d'éliminer le bruit et les interférences du signal. Grâce à une approche modulaire, les ingénieurs peuvent garantir les meilleures performances possibles de la puce dans l'environnement pour lequel elle a été conçue.

Les améliorations de la fabrication en amont seront essentielles à l'avenir. Par le passé, la plupart des dépenses étaient consacrées à la fabrication frontale, tandis que la fabrication dorsale était davantage considérée comme un élément secondaire. Aujourd'hui, l'arrière-plan fait l'objet d'une attention accrue, parallèlement à la mise en œuvre de nouvelles capacités en matière de qualité. La manière dont les organisations chargées de la qualité détectent et résolvent les défauts est complexe, mais les organisations chargées de la qualité peuvent également bénéficier de l'utilisation d'une technologie plus ancienne et plus stable dans ces modules, ce qui leur permet de se concentrer sur les nouvelles exigences en matière de qualité et de traçabilité.

Par exemple, alors que la qualité du silicium peut être axée sur une technologie plus ancienne et plus robuste, elle devient également beaucoup plus importante. La combinaison de plusieurs puces rend toute défaillance beaucoup plus coûteuse, et des précautions supplémentaires doivent être prises pour assurer la traçabilité et le suivi de toutes les pièces d'un jeu de puces modulaire, de la plaquette au produit final.

Opportunités dans l'automobile et l'IdO industriel

Outre la 5G, les marchés de l'automobile et de l'IdO présentent également des opportunités de croissance considérables. Mais les exigences de fabrication pour ces applications diffèrent grandement des exigences héritées des ordinateurs de bureau, des ordinateurs portables et des serveurs à haute capacité de calcul.

Une nouvelle voiture nécessite jusqu'à 8 000 semi-conducteurs actifs dans une centaine d'unités de contrôle interconnectées. Ces chiffres continueront d'augmenter à mesure que de nouvelles fonctionnalités, des capacités de sécurité, d'infodivertissement et de mise en réseau seront mises en œuvre dans les futures voitures, qu'il s'agisse de la connectivité Bluetooth ou des capteurs et des caméras qui soutiennent la conduite autonome.

Avec des vies en jeu, l'échec n'est pas une option. Une fiabilité extrêmement élevée et la possibilité de fonctionner à des températures très variables font partie des besoins les plus critiques des applications automobiles. En outre, les puces semi-conductrices qui équipent les voitures doivent durer 10 à 12 ans, ce qui rend la haute qualité et la longévité du produit plus importantes que l'utilisation des nœuds technologiques les plus avancés.

La résilience est également essentielle pour les applications industrielles de l'IdO (IIoT). Par exemple, les multiples capteurs nécessaires à l'exploitation sûre et efficace des plateformes pétrolières doivent être rentables et très fiables dans un environnement où le remplacement immédiat des pièces peut s'avérer impossible.

Nous pouvons nous attendre à ce que l'emballage avancé prsurite également à d'autres segments de l'IIoT, les télécommunications et les infrastructures continuant à ouvrir la voie. Selon Quince Market Insights, le marché mondial de l'Internet industriel des objets devrait croître avec un TCAC de 21,3 % entre 2020 et 2028, les progrès de la fabrication étant l'un des facteurs clés.

Avec la croissance des puces à semi-conducteurs pour une série d'applications qui continuent à proliférer, il y a une place pour tous les types de fabrication. Les technologies plus anciennes ont fait preuve d'une incroyable résistance. La combinaison de ces technologies éprouvées avec des technologies plus avancées dans un ensemble modulaire permet de créer des conceptions innovantes, de garantir la qualité et de réduire les coûts.