Aperçu
Les plaquettes de silicium constituent la base de la fabrication de nombreux produits semi-conducteurs avancés, qui à leur tour constituent la base sur laquelle repose l’industrie des semi-conducteurs. On observe un changement progressif dans la taille et le diamètre des plaquettes de silicium au fil des années. Cela conduit finalement à une nouvelle vague de discussions sur le dépassement de la taille actuelle des plaquettes, principalement en raison de la demande croissante de produits semi-conducteurs avancés, principalement comme moyen d'améliorer la vitesse de production de nouveaux FAB et OSAT à semi-conducteurs. Actuellement, la plupart des FAB et OSAT se concentrent sur les tranches de 200 mm (7,9/8 pouces), un petit nombre se concentrant sur les tranches de 300 mm (11,8/12 pouces). En fin de compte, la sélection de la taille des plaquettes est davantage une question d’investissement et de stratégie que technique. En effet, chaque modification de la taille d’une tranche affecte l’ensemble du flux de semi-conducteurs de bout en bout.
Le besoin d'une capacité de 200 mm a augmenté en raison du développement de la demande pour les applications Internet des objets (IoT), mobiles et automobiles. Ces applications relancent la production de 200 mm et génèrent le besoin de composants tels que les composants de puissance, analogiques, MEMS et capteurs. Ils ne nécessitent pas de procédés de fabrication de pointe. Différents fabricants de dispositifs intégrés (IDM) se tournent vers la production de plaquettes de 8 pouces pour les semi-conducteurs de troisième génération, notamment GaN et SiC.
Impact de la taille des plaquettes sur l'industrie des semi-conducteurs
La taille des tranches est un facteur clé pour déterminer la construction des FAB et des OSAT. La cause principale est que les outils et équipements nécessaires dépendent de la taille de la plaquette et que, à mesure que la taille de la plaquette augmente, les dépenses liées à la création de FAB et d'OSAT supplémentaires augmentent également. Pour cette raison, il est essentiel de choisir la taille de plaquette appropriée. La sélection de la taille des plaquettes est en fin de compte plus axée sur la stratégie et l’investissement que sur la technique. En effet, chaque changement dans la taille d’une plaquette affecte le flux de semi-conducteurs du début à la fin.
Les points ci-dessous démontrent sans équivoque comment la taille des plaquettes affecte plusieurs aspects du processus des semi-conducteurs. Il existe un certain nombre de facteurs à prendre en compte pour déterminer quelle taille de plaquette sera utilisée pour créer le produit de nouvelle génération, allant du coût au rendement.
Figure 1 : Facteurs pris en compte lors de la détermination de la taille des plaquettes
Taille de la plaquette : Un plus grand nombre de puces par unité de surface est sans aucun doute fourni par des tranches de plus grande taille. La plus grande surface permettant de créer plus de matrices permet finalement aux FAB et aux OSAT de fabriquer et de tester/assembler plus de matrices au cours d'une période donnée. Cela accélère la vitesse à laquelle de nouveaux produits peuvent être fabriqués ou assemblés, et cela peut également bénéficier à la chaîne d'approvisionnement dans certains cas lorsque la taille des plaquettes augmente.
Matrice par tranche : Le nombre de puces par tranche est directement lié à la taille de la tranche, car il permet aux sociétés de conception de semi-conducteurs d'estimer l'ampleur de la réduction des coûts. En fin de compte, par rapport à une tranche de plus grande taille, une tranche plus petite pour un produit très demandé se traduira par une maximisation des commandes de tranches. Ainsi, les entreprises doivent souvent investir plus de temps dans l’évaluation des avantages et des inconvénients de l’utilisation des plaquettes d’un point de vue commercial en raison de cet équilibre délicat.
Procédure: La taille des plaquettes étant considérée comme le paramètre le plus important, les usines de fabrication de semi-conducteurs doivent planifier et déterminer à l'avance les tailles de plaquettes qu'elles prendront en charge au cours des cinq à dix prochaines années. La principale considération est le coût de mise en place du processus nécessaire à chaque mise à niveau de la taille d’une plaquette. La plupart des usines de semi-conducteurs se sont concentrées sur les tranches de 200 mm (7,9/8 pouces), car elles permettent d'équilibrer les aspects techniques et commerciaux. Cependant, l'exigence de 300 mm (11,8/12 pouces) oblige les FAB et les OSAT à se moderniser.
Coût: Le facteur coût est également considéré comme l’un des facteurs les plus importants pour le développement d’un produit semi-conducteur car il est dominé par la taille de la tranche. En plus du coût du wafer, il faut prendre en compte les dépenses FAB et OSAT. Par rapport à une tranche de 300 mm (11,8/12 pouces), le coût de production et d'assemblage des puces semi-conductrices sera sans aucun doute inférieur lors de l'utilisation d'une tranche de 200 mm (7,9/8 pouces). En fin de compte, la clé est de créer la marge en choisissant la taille de plaquette appropriée.
Rendement: Historiquement, le rendement diminuait à mesure que la taille des plaquettes augmentait. Lorsqu'un produit est fabriqué sur une tranche de 200 mm (7,9/8 pouces) par opposition à une tranche de 300 mm (11,8/12 pouces), le rendement de la première sera inférieur. Le rendement final sera finalement comparable, mais à mesure que la taille des plaquettes augmente, le rendement diminuera principalement parce qu'il faut plus de temps pour perfectionner le processus des semi-conducteurs. Ce processus s'améliore à mesure que davantage de produits utilisent la même taille de tranche, car les leçons apprises peuvent être appliquées pour augmenter le rendement total du produit. Le rendement final est également fortement influencé par la manipulation des tranches et, à mesure que la taille des tranches augmente, il devient plus difficile de réduire le nombre d'étapes du processus en raison du nombre important de puces par zone donnée.
Le marché des équipements de fabrication de semi-conducteurs a connu une croissance substantielle en raison de la demande croissante de pièces semi-conductrices dans les véhicules électriques et hybrides. À cela s’ajoute l’augmentation des unités de fabrication pour la construction des FAB qui complète la croissance au cours de la période de prévision. Selon l’analyse de Data Bridge Market Research, le marché mondial des équipements de fabrication de semi-conducteurs devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 9,5 % de 2022 à 2030.
Pour en savoir plus sur l’étude, visitez :https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-semiconductor-manufacturing-equipment-market
Mettre en évidence l'utilisation des puces dans différentes applications
Selon SEMI, alors que l'industrie s'approche d'un record de plus de 7,7 millions de plaquettes par mois (wpm), les fabricants de semi-conducteurs à l'échelle mondiale devraient augmenter leur capacité de fabrication de 200 mm de 14 % entre 2023 et 2026, en ajoutant 12 nouveaux FAB en volume de 200 mm (hors EPI). ).
Les principaux moteurs d'investissement dans le 200 mm sont les semi-conducteurs de puissance et composés, essentiels aux secteurs de l'automobile, de l'industrie et de la consommation. À mesure que l’utilisation des véhicules électriques augmente, il est prévu que les développements dans les onduleurs du groupe motopropulseur et les stations de recharge pour véhicules électriques, en particulier, entraîneront une augmentation de la capacité des tranches de 200 mm à l’échelle mondiale. L’augmentation du nombre de puces dans les véhicules électriques et la volonté de raccourcir les temps de recharge stimulent l’expansion des capacités, même si l’offre de puces automobiles s’est stabilisée.
Pour répondre à la demande future, les fournisseurs de puces tels que STMicroelectronics, Bosch, Fuji Electric, Infineon, Mitsubishi, Onsemi, Rohm et Wolfspeed accélèrent leurs projets de capacité de 200 mm.
Le marché mondial des semi-conducteurs de puissance SiC connaît une croissance substantielle ces dernières années en raison de la demande croissante d’électronique de puissance dans diverses industries telles que l’électronique grand public, l’automobile et l’industrie dans les pays en développement. Cela est principalement dû à plusieurs avantages, notamment une conception compacte, un circuit simplifié et une capacité à résister à des courants et des tensions élevés. Selon l’analyse de Data Bridge Market Research, le marché mondial des semi-conducteurs de puissance SiC devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 9,5 % de 2022 à 2030.
Pour en savoir plus sur l’étude, visitez :https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-sic-power-semiconductor-market
Les fabricants sont fortement incités à raccourcir les délais de livraison compte tenu de la forte demande d’automobiles. Les FAB matures qui produisent des tranches de six et huit pouces, principalement utilisées dans différentes unités de commande électroniques automobiles, pourraient trouver cela difficile. Ces plaquettes sont souvent plus anciennes et moins performantes. Les délais de production peuvent être raccourcis en augmentant l'automatisation et la production grâce à de nouvelles installations et à la configuration d'outils, mais même dans des installations modernes, ces stratégies sont difficiles et longues à adopter. Les usines matures peuvent adopter une stratégie plus rigoureuse et globale qui se concentre sur quatre tâches essentielles pour augmenter la production plus rapidement : améliorer l'efficacité globale des équipements (OEE), contrôler la main-d'œuvre de manière proactive, réduire les risques liés aux infrastructures et gérer dynamiquement les performances.
Selon le rapport SEMI 200mm Fab Outlook to 2026, la capacité de fabrication de semi-conducteurs de puissance et automobiles augmentera de 34 % entre 2023 et 2026. Les MEMS, Analogue et Foundry arriveront en troisième et quatrième position, à 8 %, 6 % et 8 %. %, respectivement, derrière l'unité à microprocesseur/unité à microcontrôleur (MPU/MCU), à 21 %.
Aperçus régionaux
Au plus fort de l’épidémie de COVID-19 en 2021, les États-Unis ont connu une pénurie soudaine et grave de semi-conducteurs. De nombreuses entreprises importantes ont été durement touchées par ce déficit, notamment l’électronique grand public, les appareils électroménagers, les énergies renouvelables et l’automobile. Le déficit a eu de graves conséquences financières ; le Département américain du Commerce estime que cette mesure a réduit la croissance économique américaine de près d’un quart de mille milliards de dollars cette année-là.
Au-delà des conséquences financières, la pénurie de puces a révélé à quel point de nombreuses entreprises américaines étaient devenues dépendantes des semi-conducteurs fabriqués en Asie. L’épidémie a été un réveil désagréable, un choc brutal. En raison de la forte dépendance du pays à l'égard des semi-conducteurs fabriqués en Asie, l'économie était sensible aux événements imprévus.
La loi sur la création d'incitations utiles à la production de semi-conducteurs et à la science (loi CHIPS) a été créée en raison de l'impact financier. La loi CHIPS and Science Act, qui a été promulguée le 9 août 2022, alloue environ 53 milliards de dollars à l'avancement de « la recherche, du développement, de la fabrication et du développement de la main-d'œuvre aux États-Unis », comme indiqué dans un communiqué de presse de la Maison Blanche. à l'époque.
Une stratégie similaire a été dévoilée par l'Union européenne en avril 2023. La loi européenne sur les puces vise spécifiquement à doubler la part de marché mondiale de l'industrie des semi-conducteurs de 10 % à 20 % d'ici 2030 en allouant 43 milliards d'euros, soit environ 47 milliards de dollars, au secteur des semi-conducteurs. 27 États membres.
Dans le but d'acquérir plus d'indépendance dans la fabrication de semi-conducteurs, l'Europe et les États-Unis lancent actuellement des projets de construction massifs pour construire leurs propres installations de fabrication de semi-conducteurs.
Par exemple,
Afin de rendre les économies plus résilientes aux futures crises géopolitiques, les États-Unis et les pays européens renforcent leurs chaînes d’approvisionnement et augmentent la quantité de puces fabriquées dans leur pays.
Figure 2 : Nouvelle capacité équivalente à 200 mm, par région (2022-2025)
Source : analyse DBMR
Selon l’analyse de Data Bridge Market Research, la région Asie-Pacifique détient une part importante de la capacité de fabrication de 200 mm et 300 mm, par rapport à d’autres régions, à savoir l’Europe, le Moyen-Orient et l’Amérique. Cela est principalement dû à une infrastructure avancée, à la présence significative d’acteurs du marché, à des investissements robustes dans la recherche et au développement et à des initiatives gouvernementales strictes en faveur de l’adoption, entre autres. De plus, la région Asie-Pacifique est considérée comme le plus grand marché de semi-conducteurs avec des pays comme la Chine, Taiwan et le Japon.
Figure 3 : Part de marché estimée pour une nouvelle capacité de production de 200 mm, par région (2022-2025)
Source : analyse DBMR
En ce qui concerne la fabrication, la Chine continue d'être le leader en matière d'investissements pour l'expansion de la production de 300 mm ainsi que de 200 et 150 mm. Les IDM de l'alimentation principale construisent de nouvelles lignes de 300 mm ou étendent celles existantes. L'écosystème comprend des sociétés telles que Bosch, Toshiba, Infineon Technologies et Nexperia. Quelques lignes de 200 mm sont en construction dans le monde et des lignes de 150 mm sont en cours de conversion en 200 mm. En dehors de cela, les IDM de puissance en lice pour une capacité SiC de 200 mm incluent Wolfspeed, Infineon Technologies, CRCC et d'autres.
Initiatives prises par différents fabricants pour augmenter la capacité de production
Voici quelques-unes des initiatives stratégiques prises par différents fabricants pour augmenter la capacité de production :
Le marché mondial des véhicules électriques connaît une croissance significative ces dernières années en raison de plusieurs facteurs tels que l'augmentation des initiatives gouvernementales en faveur des véhicules électriques (VE), la réduction des prix des batteries des véhicules électriques, le développement de la recharge publique et privée des véhicules électriques, l'avancement des technologies de recharge des véhicules électriques via des moyens sans fil et bien plus encore. Selon l’analyse de Data Bridge Market Research, le marché mondial des véhicules électriques devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 20,35 % de 2023 à 2030.
Pour en savoir plus sur l’étude, visitez :https://www.databridgemarketresearch.com/fr/reports/global-electric-vehicle-market
Recommandations pour l'industrie des semi-conducteurs à l'avenir Vers une nouvelle taille de plaquette
La crise actuelle de pénurie de semi-conducteurs suscite également des discussions sur l'extension de l'installation et la recherche de la plus grande taille de tranche actuellement produite, 300 mm (11,8/12 pouces).
Cela implique d'exiger que tous les futurs modèles FAB et OSAT choisissent 300 mm, voire 450 mm (17,7/18 pouces), qui n'ont pas encore été utilisés pour la fabrication à grande échelle. Le principal point de discorde est qu’en donnant aux FAB et aux OSAT les moyens de produire plus de matrices par unité d’espace, ils pourraient améliorer leur capacité. Cela nécessitera sans aucun doute une dépense importante, et peu de FAB/OSAT choisiront une plaquette de plus de 200 mm (7,9/8 pouces).
La taille des plaquettes est un autre facteur que l'industrie des semi-conducteurs devrait prendre en compte compte tenu de la dépendance croissante à l'égard des dispositifs à semi-conducteurs. Construire davantage de FAB et d’OSAT et les équiper pour répondre aux besoins futurs est la stratégie la plus efficace pour éliminer toute demande future à l’origine de la pénurie. Les FAB/OSAT devraient commencer à planifier dès maintenant un diamètre de 450 mm, même s'ils sont d'abord construits et équipés d'une plaquette de 200 mm ou de 300 mm. En adoptant un tel plan, les FAB et les OSAT seront préparés à la demande future, qui pourrait sans aucun doute dépasser la capacité totale qui sera accessible dans un avenir proche.
Des mesures fortes sont nécessaires pour encourager l’utilisation de tranches de taille nettement plus grande que celles actuellement fabriquées, principalement 450 mm. La feuille de route ci-dessous offre une explication complète des raisons pour lesquelles des actions distinctes devraient être entreprises en faveur de tranches de plus grande taille.
Capacité: Compte tenu de la rareté des semi-conducteurs, la capacité actuelle, qui repose sur une diversité de tailles de tranches, est sans aucun doute insuffisante. L’augmentation du nombre de FAB et d’OSAT augmentera sans aucun doute la capacité, mais pas autant que l’augmentation de la taille des tranches. Les entreprises qui produisent des semi-conducteurs doivent tenir compte des coûts à long terme qu’entraînerait le fait de ne pas passer à des tranches de plus grande taille. Les plaquettes FAB/OSAT dans la gamme 300 mm peuvent être le point de départ, et elles peuvent aller jusqu'à 450 mm.
FAB-LITE : Le développement de quelques FAB et OSAT de semi-conducteurs spécialisés qui serviront exclusivement les futures tailles de tranches énormes est une autre stratégie de gestion de la taille des tranches. Il pourrait s'agir d'installations dédiées aux wafers FAB/OSAT de dimensions 450 ou 675 mm (26,6/27 pouces). Selon ce plan, les nouveaux bâtiments serviront à l'avenir de centres de recherche et de développement pour des tranches de plus grande taille. À mesure que la technologie progresse, la fabrication de masse sera rendue possible grâce à la diminution du coût d’utilisation de ces tranches de plus grande taille.
Coopération: Il est coûteux de mettre en place des FAB et des OSAT capables de traiter des tranches de plus grande taille. Regrouper différents fabricants et investir dans des installations en grappes qui desservent diverses clientèles est la seule option pour réduire cette dépense. Bien que cela engendrera sans aucun doute des problèmes de propriété intellectuelle et d’autres problèmes de confidentialité, la capacité axée sur des tranches de plus grande taille ne peut être augmentée sans coopération.
Nœud cible : Pour des nœuds technologiques particuliers, des tranches de plus grande taille peuvent également être utilisées. Dans cette approche, l’investissement nécessaire et le coût de fabrication peuvent tous deux être équilibrés. Les nœuds plus anciens dotés de processus plus fiables que ceux dotés de nouvelles technologies à venir peuvent être les nœuds les plus appropriés. Cela peut sans aucun doute encourager l’utilisation de plaquettes de plus grande taille.
Efficacité: En fin de compte, en expédiant plus de pièces dans le même laps de temps, des tailles de tranches plus élevées améliorent l'efficacité. Tant que la technologie de production est économique, le coût total et l'investissement s'équilibreront. Ce n’est qu’un argument supplémentaire en faveur de plaquettes de plus grande taille dans l’industrie des semi-conducteurs.
Conclusion
Le manque de capacité de production de tranches de 8 pouces est principalement dû à l’augmentation continue de la demande pour ces processeurs de signaux mixtes et ces dispositifs d’alimentation. Il semblerait que les fonderies augmenteraient leur capacité puisque l’offre de tranches de 8 pouces atteint un niveau record. En outre, les fonderies souhaitent acheter des lignes de production de 8 pouces et des machines associées auprès d’IDM. Il a été constaté que très peu de fournisseurs produisent actuellement des équipements semi-conducteurs de 8 pouces, ce qui signifie que le prix de ces équipements a soudainement augmenté et qu'il y a eu une grave pénurie depuis 2019. Cela a conduit certaines fonderies à augmenter le prix de 8 pouces. plaquettes de pouces à leurs clients.
Il a été constaté que certains producteurs de circuits intégrés transfèrent leurs conceptions actuelles de lignes de 8 pouces à 180 nm et 350 nm vers des lignes plus récentes avec des tranches de 12 pouces. En outre, un grand nombre de fonderies proposent des procédés appropriés en 130 nm produits sur des tranches de 12 pouces, qui peuvent être utilisés comme source de secours ou principale pour répondre aux futurs besoins de capacité et diversifier géographiquement la chaîne d'approvisionnement.
Les organisations qui utilisent actuellement du silicium sur des tranches de 8 pouces devraient donner la priorité à une évaluation de leurs besoins futurs, car les pénuries actuelles doivent être interprétées comme un avertissement. Si une capacité importante est nécessaire, ils devraient envisager de migrer vers un nœud de 12 pouces et se donner le temps de terminer le processus dans l'usine de production de source primaire ou secondaire.
DBMR a servi plus de 40 % des entreprises Fortune 500 à l'échelle internationale et dispose d'un réseau de plus de 5 000 clients. Notre équipe se fera un plaisir de vous aider avec vos questions. Visite, https://www.databridgemarketresearch.com/fr/contact
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