从 8 英寸晶圆厂转向 12 英寸晶圆厂可缓解集成电路短缺问题

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电子时报

2021 年 5 月 18 日

说得难听点，8 英寸（200 毫米）晶圆供应链有些举步维艰。

正如 12 月份的一篇 头条 所写的那样，"8 英寸晶圆产能供不应求到了难以想象的地步"，文章称 "晶圆产能非常紧张，客户对产能的需求已经达到了恐慌的程度"。并称从 2021 年年中 "到 2022 年下半年，逻辑和 DRAM 市场将出现缺货"。

这并不是一个新问题， Trends Force大约在同一时间指出 ，"自 19 年下半年以来，8 英寸晶圆产能一直严重短缺"。 《EETimes》在 2020 年 2 月报道 ，"8 英寸晶圆厂在第一季度以 99% 的产能运行，短缺迫在眉睫"。

更糟糕的是，3 月份通用汽车和其他汽车制造商使用的瑞萨工厂发生火灾，这只会让事情变得更糟。正如《日经新闻》所说"先进半导体的损失可能会加剧全球（汽车芯片）的紧缺"。

造成这些问题的原因是多方面的，但大流行病极大地加剧了这些问题，并推动了对耳机、个人电脑、电视、显示器和手机等多种产品的需求。此外，汽车等行业预计将于今年 开始从大流行病中复苏。虽然产品的目标是将多种功能集成到单个 SoC 中，但许多产品通常都有一个数字 IC 和一个或多个混合信号配套芯片。这些应用包括电源管理（PMIC）、CMOS 图像传感、指纹传感、汽车电机和底盘控制、显示驱动器和 sub-GHz 射频无线电，通常采用 180 纳米或 350 纳米技术，在 8 英寸（200 毫米）晶圆上制造。

总之，对这些混合信号芯片和功率器件需求的持续增长是造成 8 英寸晶圆产能不足的主要原因。

由于 8 英寸晶圆供应已达到极限，人们可能会认为代工厂会增加产能。代工厂正在寻求从 IDM 收购 8 英寸生产线和设备。最近的一个例子是，据报道，联华电子（UMC）正在洽谈从东芝（Toshiba） 收购 8 英寸生产线。

但是，根据 TrendsForce 的上述报告，19 年下半年以来出现的严重短缺可归因于 "目前几乎没有供应商仍在生产 8 英寸半导体设备，这意味着此类设备的价格现已暴涨。此外，由于 8 英寸晶圆价格相对于 12 英寸晶圆价格较低，代工厂普遍认为扩大 8 英寸产能的成本效益不高"。这就产生了连锁反应，一些代工 ，向客户提高了8英寸晶圆的价格 。

换句话说，8 英寸晶圆的经济性使这些短缺成为供应链的一个特点，而不是一个故障。

而且情况不会好转。与之不同的是，12 英寸（300 毫米）晶圆代工厂有许多关于进一步投资产能的公告，特别是台积电 的 和GlobalFoundries 的 。

鉴于 8 英寸产能可能不会再增加，一些集成电路供应商正在将其现有设计从 180 纳米和 350 纳米 8 英寸生产线迁移到使用 12 英寸晶圆的更新生产线。许多代工厂提供在 12 英寸晶圆上制造的合适的 130 纳米工艺，可用作满足未来产能需求的第二或主要来源，并增加供应链的地域多样性。

180 纳米与 130 纳米工艺节点的特性对比

即使在相似的工艺节点（如 180 纳米和 130 纳米）之间，它们也具有不同的特性。关键在于晶体管阈值电压的下降不同，这与核心电源电压从 1.8 V 降至 1.5 V 甚至 1.2 V 的趋势一致。 有多种工艺可供选择，以支持 5 V 和 3.3 V IO，而这些工艺节点所提供的模拟和射频设计所必需的无源元件是相似的

12 英寸技术具有一些优势。它们通常使用铜进行金属互连，而老式技术则使用电阻率较高的铝，这样可以提高电流密度并防止电迁移。12 英寸技术还支持更多的金属层，再加上更小的晶体管尺寸，可以提高晶体管和布线密度，从而在给定单价的情况下减少芯片面积或增加功能。

此外，许多 180nm 和大多数 130nm BCD（双极-CMOS-DMOS）技术都支持诸如浅沟槽隔离（STI）等功能，以实现更高的密度，与大多数 350nm 技术中使用的硅局部氧化（LOCOS）隔离相比，改进了闩锁保护和衬底噪声隔离。这些都将提高电路的性能和稳健性。

用于最新 12 英寸晶圆的改进型光刻技术可提供更好的器件匹配，从而提高生产良率。同样，这也有助于降低单个优质芯片的价格。

此外，130 纳米 BCD 节点现已成为非常成熟的技术，可提供更多工艺选项，包括不同高压等级的晶体管、非易失性存储器（OTP、闪存）、MIM 盖帽、齐纳二极管或肖特基二极管等。这有利于将复杂的模拟/射频功能集成到更具竞争力的 SoC 解决方案中。

成本与供应链稳定性

这并不是说没有理由坚持使用 8 英寸晶圆。以毫米为单位，350 纳米 8 英寸晶圆的价格一直很便宜--非常便宜。

这是因为制造设备已完全折旧，而且制造工艺的复杂性较低（层数较少）。此外，一些模拟电路在较新的节点上并不总能很好地扩展，因此 130 纳米等效芯片可能比 350 纳米芯片更昂贵。不过，在大多数情况下，由于元件短缺而无法供应产品（无论是耳机、手机还是汽车）所带来的痛苦要比集成电路的微小成本差异更大。

此外，由于不同的电源、IO 电压支持和不同的晶体管特性，在跨节点设计具有匹配电气参数的引脚对引脚兼容器件时可能会面临挑战。每种设计都需要进行分析，以确认是否可行，并且不会增加大量开销，而这可以通过新的印刷电路板设计更容易地克服。值得注意的是，从 180 纳米到 130 纳米之间的差距要小于从 350 纳米到 130 纳米之间的差距。

此外，值得注意的是，代工厂目前还没有将 180 纳米 8 英寸设计套件迁移到 12 英寸生产线的说法。熟练的混合信号 ASIC 公司（如 EnSilica）需要从原理图级端口或集成电路数据表开始进行这项工作。

影响

考虑到重新设计 ASIC 所需的投资，最好考虑集成其他可能受 8 英寸供应链问题影响的功能，特别是 MCU。

130 纳米较小的特征尺寸允许集成 Arm Cortex M 级处理器，而只需很少的额外硅成本。事实上，所需的 CPU 性能和内存要求将是影响集成可行性的主要因素；低端 CPU 只需几平方毫米的硅片面积，多几平方毫米的硅片面积就能以低成本集成 64/128 kB 的 SRAM。

对于非易失性存储器，通常可以使用 OTP、MTP 和闪存，提供几百 MHz 的性能，这通常足以满足大多数此类应用的需要。如果使用 Cortex M0 或 M3（通常适合 130 纳米工艺），可以从免费工具 Arm Design Start Pro 开始（只收取每个部件的版税）。

根据复杂程度，从目前的数据表重新设计一个 ASIC 并使其符合生产要求的时间大约为 14 至 24 个月，而第一个原型硅片可能在不到一年的时间内就能到货。对于汽车产品来说，从规格到 PPAP 需要 24 到 36 个月的时间，这同样取决于产品的复杂程度。130 纳米 ASIC 的典型预算因设计复杂程度和 IP 许可内容而异，但从约 60 万美元开始，到用于汽车应用的完全 AEC-Q100 合格组件的约 400 万美元。目前，12 英寸工艺的 130 纳米掩模工具成本低于 20 万美元，因此在总成本中的占比相对较小。

许多混合信号设备都是在供不应求的 8 英寸晶圆上制造的，而这些生产线缺乏投资（因为投资回报率低）意味着供应链问题可能会继续存在。

目前的短缺应被视为一个警告，目前使用 8 英寸晶圆硅的公司应优先考虑审查其未来需求。如果需要大量产能，则应考虑移植到 12 英寸节点，并为整个流程的完成留出足够的时间--无论是在主生产设施还是第二源生产设施。