【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(zhàn)略規(guī)劃正在逐步實施，將會幫助其實現(xiàn)200億美元營收和2027碳中和兩大目標。而因為芯片制造漫長而又復雜，所以芯片廠商需要客戶及早分享設計方案及生產(chǎn)計劃，這樣才能實現(xiàn)長期的雙贏。
芯片的制造周期非常長，總周期長達20～35周不等。而這項業(yè)務的周期之長，也就是整個業(yè)務的復雜性和挑戰(zhàn)所在。我們需要客戶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(shù)量，這樣我們才能實現(xiàn)長期的雙贏。
在半導體行業(yè)，如果要為整個晶圓廠的潔凈室換氣，所需的時間僅需七秒。
利用一噸沙子， 可以制造出5000片8英寸晶圓。
如果想知道晶圓廠制造一顆晶片的整個工序所經(jīng)歷的流程長度，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(zhí)行副總裁、中國區(qū)總裁曹志平 (HENRY CAO)通過上述的舉例，給記者從一個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)就正式揭開了新的篇章。而后隨著遵循著摩爾定律的提出和修正，半導體技術的發(fā)展一路狂奔。在這期間，F(xiàn)abless的出現(xiàn)加速了整個半導體行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展；但同時像ST這樣的廠商，仍保持著IDM的公司策略。而在近年來，隨著晶體管微縮困難、第三代半導體技術出現(xiàn)、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專門召開了關于其制造策略的媒體分享會，曹志平與記者進行了精彩的分享。
▲意法半導體執(zhí)行副總裁、中國區(qū)總裁曹志平 (HENRY CAO)
加大產(chǎn)能投資，堅持垂直整合，和客戶長期雙贏
芯片的制造周期非常長，包括了晶片制造、電測、封裝測試和成品測試等環(huán)節(jié)，再加上產(chǎn)品的運輸，總周期長達20～35周不等。而這項業(yè)務的周期之長，也就是整個業(yè)務的復雜性和挑戰(zhàn)所在。半導體的制造，尤其是大批量的客戶的需求，更需要客戶和芯片制造商之間保持密切的溝通，確?？蛻粜枨蠛椭圃飚a(chǎn)量達到合理的匹配水平?！拔覀冃枰蛻舯M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(shù)量，這樣我們才能實現(xiàn)長期的雙贏?！辈苤酒椒窒淼?，“如果需求發(fā)生變化，也許客戶會受到傷害，因為我們可能沒有做好滿足需求的準備；也許半導體制造商會受到傷害，因 為我們可能生產(chǎn)了很多客戶不再需要的產(chǎn)品，而讓它們成為庫存。所以，這就是管理這類業(yè)務的復雜性所在?！?/p>
為了實現(xiàn)和客戶的長期雙贏，ST一直堅持IDM的策略，在全球布局制造業(yè)，并且推動自己制造低碳化轉型。擴大內部產(chǎn)能同時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；同時也和業(yè)界領先的晶圓廠開展技術研發(fā)合作，共同進行前道技術的創(chuàng)新。
對于擴大產(chǎn)能投資是其重要的戰(zhàn)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(jù)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(xù)這個策略，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)工廠的擴建。為了應對電動汽車和工業(yè)對于第三代半導體的持續(xù)強勁需求，ST也將加大對與SiC以及GaN的技術研發(fā)投入和垂直整合，通過并購實現(xiàn)技術引入，通過建廠擴大內部產(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(zhàn)略的一部分，將打造全球SiC技術創(chuàng)新中心
得益于近年來汽車電氣化和低碳化的趨勢推動，業(yè)界對于SiC需求增長強勁，觀察在去年的半導體下行周期中，仍取得亮眼業(yè)績表現(xiàn)的芯片原廠，無不來自其對在該領域的業(yè)務增長。ST從2017年開始量產(chǎn)碳化硅器件，目前其車規(guī)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)能增長了2.5倍以上，并且產(chǎn)能擴張還在繼續(xù)進行中。
曹志平表示，對于像碳化硅這樣的新技術，盡可能多地控制整個制造鏈非常重要（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會盡全力掌握這些關鍵步驟。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，包含四個方面：
● 供應鏈垂直整合：2019年第四季度完成對Norstel AB 公司（現(xiàn)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(guī)劃建設新廠，目標到2024年實現(xiàn)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Norstel AB技術的引進，ST在意大利卡塔尼亞的建廠計劃也隨之展開，一個總價約7.3 億歐元(約8億美元)的襯底晶圓廠正在建設中。新加坡工廠作為ST最大的工廠，其產(chǎn)能也實現(xiàn)了翻倍。制造成本上也迎來了突破，ST SiC AB工廠已經(jīng)推出了首批內部用8英寸原型晶圓，預計2024年前會實現(xiàn)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技術上展開的合作，可以在降低成本的同時，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的圓片，這種方法的缺點是單晶碳化晶棒很薄，只能獲得數(shù)量有限的晶片，成本居高不下。而通過 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接下來都將在產(chǎn)前測試合格后啟用SmartSiC技術。
另一個值得關注的是，ST將會在意大利卡塔尼亞打造一個全球SiC技術創(chuàng)新中心。
其實ST是世界上第一家進行BCD技術開發(fā)的公司，在BCD方面有著深厚的技術積累。ST 在碳化硅領域的先驅地位要歸功于25年持續(xù)的專注和研發(fā)投入，以及大量關鍵技術專利組合。卡塔尼亞不僅將成為ST的SiC襯底的制造重鎮(zhèn)，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技術創(chuàng)新中心。據(jù)悉，ST在卡塔尼亞與不同的機構和企業(yè)保持長期的合作關系，包括卡塔尼亞大學、 CNR-意大利國家研究委員會、設備及產(chǎn)品制造企業(yè)，以及供應商網(wǎng)絡等。通過加大投資，ST將夯實卡塔尼亞工廠作為全球碳化硅技術創(chuàng)新中心的地位，并帶來進一步發(fā)展機會。
射頻和功率GaN兩手抓，布局未來潛力市場
除了SiC外，GaN被視為是另一種即將迎來大規(guī)模商用機遇的第三代半導體器件。據(jù)行業(yè)分析機構預測，整個功率市場在2021-2026年間復合年增長率約9%，從195億增長到302億美元。但即便到2026年，功率GaN在整個市場的占比仍然很小，最多占比10%。GaN這項技術仍具有非常好的前景，將成為功率晶體管市場的關鍵器件之一。
GaN的應用主要在射頻和功率器件兩個方面，而ST采取的策略是雙管齊下，同時布局功率轉換GaN和射頻功率GaN技術。曹志平表示，ST非常重視GaN技術，因為它能與SiC技術互補，滿足客戶對功率器件的需求。
ST在法國圖爾擁有8英寸功率GaN晶圓廠，其外延襯底研發(fā)能力和試制生產(chǎn)線也已經(jīng)準備就緒。2022年已經(jīng)完成了晶圓廠的生產(chǎn)認證，將在2023年開始量產(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，該廠在已經(jīng)在2022年完成了晶圓廠生產(chǎn)認證。
加大混合芯片制造技術創(chuàng)新，開展廣泛技術合作
除了上述提到的功率器件外，ST在數(shù)字芯片和射頻、模擬芯片領域也有著廣泛且優(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創(chuàng)新策略。
在產(chǎn)能方面，ST著力于12英寸晶圓廠的產(chǎn)能提升。ST斥巨資投資了兩個工廠：一個是位于法國的克羅爾，另一個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實現(xiàn)了快速的產(chǎn)能拉升，在去年10月首個晶圓生產(chǎn)批次成功下線，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英寸晶圓廠采用了數(shù)字孿生的技術，法國克羅爾工廠建造時間要早得多，而目前阿格拉特工廠還在建設中。
通過數(shù)字孿生技術，ST將克羅爾工廠的制造工藝同步引進到阿格拉特工廠，加快了阿格拉特工廠的生產(chǎn)認證。兩個工廠的路線圖保持一致，設計方案相互兼容，所有的建廠和投產(chǎn)流程都實現(xiàn)了加速，而且兩個工廠都能夠通過協(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，ST甚至可以利用這個技術，加快許多其他12英寸晶圓廠的產(chǎn)能提升。因此，所有這些晶圓廠都將可以利用大量的協(xié)同效應和已有的經(jīng)驗?！?/p>
在制造技術的創(chuàng)新方面，ST關注更適合混合信號應用的FD-SOI技術，并與業(yè)界領先的晶圓廠展開前道技術合作。
FD-SOI（全耗盡型絕緣體上硅）是一種平面工藝技術，在實際簡化制造工藝的同時，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，F(xiàn)D-SOI被公認為低功率、RF和毫米波應用的領先技術。對于汽車應用而言，這項技術技術支持汽車行業(yè)的全數(shù)字化和軟件定義汽車架構轉型、以及無人駕駛技術。ST是FD-SOI技術創(chuàng)新的先行者，已經(jīng)生產(chǎn)FD-SOI芯片多年，為各種終端市場提供定制和標準的先進產(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技術發(fā)展路線圖，以推進下一代汽車、物聯(lián)網(wǎng)、移動等應用上對于FD-SOI技術產(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)工廠附近新建一個12寸(300 毫米) 聯(lián)營廠。該聯(lián)營廠的目標是在2026年前達到全部產(chǎn)能，建成后的年產(chǎn)能達到62萬片12寸晶圓，其中ST 產(chǎn)能約占42%，格芯產(chǎn)能約占58%。據(jù)悉聯(lián)營廠將支持包括FD-SOI在內的多種衍生技術，推動ST從28nm邁向18nm的技術路線，支持ST未來實現(xiàn)200億營收的目標。此次合作將助力ST的發(fā)展，降低風險管控，同時也會加強歐洲FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)。
引領未來制造：數(shù)字化和可持續(xù)
對于ST而言，制造的數(shù)字化和可持續(xù)并重，而且工廠數(shù)字化轉型可以進一步促進低碳化生產(chǎn)。ST已經(jīng)宣布了自己的可持續(xù)發(fā)展目標，將在2027年實現(xiàn)碳中和。ST針對可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略分為兩部分，一是通過推出更高能效的芯片和解決方案，間接地來幫助客戶減少碳排放；另一方面，針對內部的芯片制造進行升級，直接減少碳排產(chǎn)生。
新加坡工廠是ST全球產(chǎn)量最大的晶圓廠，ST在該工廠投資3.7億美元，啟動了區(qū)域集中供冷系統(tǒng)(DCS)項目，通過管道輸配冷凍水為生產(chǎn)設備降溫，取代數(shù)百個耗電的空調系統(tǒng)。該項目落成后，新加坡工廠每年可節(jié)省制冷相關用電量20%，向環(huán)境減排量多達12萬噸碳，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的可再生電能的比例，從2020年的1%提升到了58%。
在節(jié)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、中國深圳工廠、摩洛哥布斯庫拉工廠的用水量，并盡可能地循環(huán)利用水。最終在2022年，ST每個單位產(chǎn)量用水量比2016年減少12%。
據(jù)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所有工廠的EHS環(huán)境健康安全團隊完成了53個能源管理改進項目，總計節(jié)電 35 千兆瓦時。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其ST節(jié)能減排責任的結束，而是對其產(chǎn)品新的碳足跡追溯的開始。ST在設計產(chǎn)品時，就將芯片整個生命周期對環(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)品的營收貢獻率為20%。根據(jù)歐盟分類標準，在整個產(chǎn)品生命周期內大幅減少溫室氣體排放的產(chǎn)品的營收貢獻率為37%。
結語
目前，ST在歐洲、亞太地區(qū)部署了14個工廠，實現(xiàn)了全球化的制造業(yè)布局。曹志平表示，在過去三年新冠疫情期間，雖然有時某些地方會因為疫情而被封鎖，但ST仍然可以非常順利地管理生產(chǎn)和供應鏈，保證客戶的多重貨源。在前道晶圓制造和后道封測方面，ST都會堅持技術創(chuàng)新和資產(chǎn)投入，這將會支撐ST在未來幾年實現(xiàn)200億美元的營收目標和2027的碳中和目標。
作者：21ic 劉巖軒
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