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ST:內部擴產與製造外包並進 全盤掌控半導體供應鏈
 

【作者: 王岫晨】   2023年05月18日 星期四

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半導體是高科技產業,因為晶片製造包括在半導體晶片上製造積體電路,然後再將其切割下來,最終進行獨立封裝並進行測試的過程。



圖二
圖二

意法半導體執行副總裁暨中國區總裁曹志平指出,在半導體產業,如果要為整個晶圓廠的無塵室換氣,所需的時間僅需七秒。利用一噸沙子,我們可以製造出5千片8吋晶圓。如果想知道晶圓廠製造一顆晶片的整個製程所經歷的流程長度,答案是40公里左右。而在日常生活中,大家並未完全意識和理解的這些資料。這也是半導體產業的特殊性。



圖三
圖三

我們有將晶片的尺吋和動物、人類頭髮、甚至病毒等進行比較。在很多情況下,半導體晶片的尺吋相較於跳蚤、毛髮和病毒更小。目前,電晶體的大小可以是10奈米,或者是7奈米、5奈米、甚至是3奈米。因此,這也是非常特殊的製造產業。



圖四
圖四

關於製造週期,通常是指我們需要花一些時間來製造晶片,也需要花幾週的時間進行晶片電測(EWS)、封裝測試以及成品品質管控(測試)等。通常總製造週期需長達20~30個星期左右,而這20~30個星期只是單純的製造時間。如果將產品從前端運輸到後端工廠的時間、裝卸貨時間,以及安排交貨所需的所有時間都考慮在內,那麼半導體的交貨時間通常是20週到35 週,甚至長達40週不等,具體取決於產品的類型。



圖五
圖五

由於製造晶片的週期非常長,因此我們的客戶和合作夥伴需要與半導體製造商提前分享其敲定的業務計畫、需要的晶片數量和晶片類型。這一點非常重要,因為半導體製造商,能會遇到一些情況:一開開始客戶告訴我們,他們需要一定數量的某種晶片,但30週後在完成製造製程的時候,客戶可能就會告訴我們:「哦,不好意思。我們可能不需要這種晶片。現在我們需要另外一款不同的晶片。」這就是這個產業的複雜性所在。



圖六
圖六

為此,我們需要客戶儘早與我們分享他們的設計方案和生產計畫,告知我們需要何種產品以及所需之數量,這樣才能達到長期的雙贏局面。如果需求發生變化,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;也許半導體製造商亦會受到傷害,因為我們可能生產大量客戶不再需要的產品,而讓其成為庫存。所以,這就是管理這類業務的複雜性所在。



圖七
圖七

針對ST的半導體製造概況,就半導體產業的定位而言,ST是一家垂直整合製造商(IDM)。在這個產業裡,有些公司有的專注於無廠模式(fabless),有的專注於半導體代工(foundry),有些還專注於封裝測試等。而ST跟這些公司都有所不同。我們是一家涵蓋晶片設計、晶圓製造、封裝和測試、銷售和支援的整條價值鏈的企業。換句話說,ST涵蓋了無廠模式、半導體代工和後段製程,如封裝測試等。因此,ST不同於產業內的其他公司。



圖八
圖八

ST在世界各地擁有許多製造基地。前段製程製造基地主要分佈在四個國家,包括瑞典、法國、義大利和新加坡。此外,我們還在義大利、法國、摩洛哥、馬爾他、馬來西亞、中國深圳和菲律賓擁有很多封裝和測試工廠。因此,我們擁有供應鏈,以及遍佈不同國家的前段製程和後段製程工廠。這為我們提供了獨特的優勢,特別是在過去三年因應新冠疫情的挑戰——有時某些地方會因為疫情而被封鎖,但ST仍可以非常順利地管理內部生產和供應鏈,因為我們讓產品在多個工廠生產,而不需要依賴某個特定工廠來為客戶提供高水準的服務。



圖九
圖九

人才是我們製造的基礎。ST在全球擁有大約5萬至 6萬名員工,分布在法國、義大利、亞洲和其他一些國家及地區。因此,ST是一家全球性的公司,我們的人才團隊遍及全球各地。



圖十
圖十

我們也為客戶提供多重貨源,全盤掌控供應鏈的保障。之前有提到,我們擁有許多不同的製造基地。在各個製造基地,專注的技術和產品各有不同。在極端情況下,還可以將生產工作遷移到其他製造基地。如此一來,我們就不會因為任何一個製造基地的任何原因而受到影響。無論是新冠疫情,還是其他任何原因,我們依然可以讓整個供應鏈正常運轉。



圖十一
圖十一

ST擁有豐富的技術組合,而且大部分技術具有專有技術,也就是ST的獨家技術。 例如,我們擁有包括 BCD 在內的智慧功率技術。 順帶一提,ST是世界上第一家開發BCD技術的公司。此外, 我們還提供 STi2GaN和 VIPower,能夠利用專門的光學影像感測器製程等。就功率技術而言,我們提供功率MOSFET、IGBT、碳化矽(SiC)和氮化鎵 (GaN)。 我們還擁有特殊的MEMS技術,以及類比和混合訊號技術。就數位化技術而言,我們擁有 FD-SOI技術。


我們還可以與代工廠合作,提供FinFET技術。就快閃記憶體技術而言,ST擁有許多聚焦嵌入式快閃記憶體、CMOS的特殊技術。我們還擁有射頻CMOS和BiCMOS技術,由於這些技術能夠提供特有的防輻射功能,非常適用於製造衛星相關的技術產品。就封裝技術而言,我們能夠非常靈活地提供包括引線框架、層壓板、感測器模組、晶圓級等所有技術在內的優選組合。



圖十二
圖十二

ST的工廠不只是單純的工廠。我們已經將技術研發融入到每個工廠,同時,我們擁有專門研發設計的設施——在ST的很多製造基地,這些研發設施距離我們的生產製造廠房很近。因此,我們的工廠不僅專注於產品製造,還擁有大量專注於研發設計的人員,以推動技術的持續創新。



圖十三
圖十三

我們不僅專注於晶圓技術的研發,也專注於封裝和測試的創新。此外,我們還與封測代工廠(OSAT)合作,透過封測外包的形式,利用最新的技術持續推動創新,以滿足終端市場,例如智慧出行、電源與能源,以及物聯網&連網等市場的需求。



圖十四
圖十四

在製造策略方面,技術研發和製造策略是ST達成營收目標的關鍵要素之一。我們不斷投資具有競爭力的專利技術,擴大內部產能,輔之以外包加工。我們致力於為客戶打造可靠的供應鏈。ST計畫在2022 年至2025 年間將12吋晶圓的內部製造產能擴大一倍。由於汽車電動化和可再生能源領域對碳化矽(SiC)的需求特別大,因此我們也在投資碳化矽技術。此外,ST亦持續投資氮化鎵(GaN)。



圖十五
圖十五

目前我們專注於提升8吋晶圓的內部研發能力,計畫在2023年達成8吋晶圓的內部製造。 除了仰賴內部製造基地之外,ST還與外包合作夥伴(包括晶圓代工廠和封測代工廠OSAT)合作,以滿足客戶日益成長的需求。此外,我們還與領先的數位技術和封裝技術供應商合作。



圖十六
圖十六

就12吋晶圓產能而言,ST斥巨資投資兩個工廠。 一個工廠位於法國的克羅爾,另一個則位於義大利的阿格拉特。之前提到,我們的目標是是以今年的產能作為基礎,並在2025年將 12吋晶圓的產能提升一倍。就擴張寬能隙半導體的產能而言,我們正在義大利卡塔尼亞工廠投資碳化矽技術。這張簡報(第17頁)的右上方是ST在2022 年 10 月 5 日所拍攝的照片。簡報右下方是我們在法國圖爾所投資的氮化鎵工廠。這些就是我們進行12吋晶圓和寬能隙產品產能擴張的主要工廠。



圖十七
圖十七

去年,我們宣布與格羅方德建立合作夥伴關係。我們將與格羅方德一起在法國建立專注於FD-SOI 技術之全新的製造工廠。當該工廠投入使用後,其將成為全球半導體產業潔淨工廠的標杆。ST所有工廠和格羅方德所有晶圓廠(包括格羅方德德國德累斯頓工廠)都通過了 ISO 環境和能源管理認證。透過這個新工廠,ST旨在減少大量能源消耗和溫室氣體排放。我們致力於確保高標準的空氣和水品質。 因此,與格羅方德聯營的工廠將成為永續性發展程度非常高的晶圓廠,並會在接下來幾年後一直是如此。



圖十八
圖十八

此外,我們還宣布將碳化矽基板製造廠整合到ST的整體製造策略當中。眾所周知,如今碳化矽的需求量很大,半導體產業很難提供足夠的碳化矽。其中一個挑戰就是來自基板。因此,ST 已制定計劃並採取實際行動,將碳化矽基板整合到碳化矽元件和技術的整個製造策略當中。


2019 年,我們收購了Norstel。目前,我們正在盡一切努力擴大產能,包括將生產從瑞典的北雪平遷至義大利的卡塔尼亞。所有這些行動都將有利於滿足 ST 汽車和工業客戶對碳化矽元件日益成長的需求。該專案是歐洲首創之6吋碳化矽外延基板量產加工一站式的工廠,承諾在不久的將來開發出8吋晶圓,預計2023年開始量產,以平衡碳化矽基板內部供應和外部採購比例。ST將在未來五年投入資7.3億歐元建設這個專案。



圖十九
圖十九

義大利卡塔尼亞工廠是ST功率技術創新的重要基地。首先,ST在碳化矽領域的先驅地位要歸功於25年持續的專注和研發投入,以及大量關鍵技術專利組合。卡塔尼亞工廠是ST最大的碳化矽研發和製造基地。卡塔尼亞工廠擁有成熟的功率電子生態系統,ST在當地與不同的機構和企業維保長期的合作關係,包括卡塔尼亞大學、CNR-義大利國家研究委員會、設備及產品製造企業,以及供應商網路等。透過加大投資,ST將強化卡塔尼亞工廠成為全球碳化矽技術創新中心的地位,並帶來進一步發展機會。


ST也正持續擴大 12吋晶圓產能。 到 2025 年,ST 12 吋晶圓產能佔所有晶圓總產能當中的比率將從17% 提升到 33%。12吋晶圓的主要生產基地是法國的克羅爾工廠和義大利的阿格拉特工廠。



圖二十
圖二十

義大利阿格拉特12吋晶圓廠2023產能提升計畫正在順利推動中,預計將在2023 年上半年安排大部分的生產認證。受益於高塔半導體(Tower Semiconductor) 的產能共用,這個工廠達到快速產能提升。2022年10月,這個工廠的首個晶圓生產批次成功下線。透過義大利阿格拉特和法國利克羅爾雙工廠的協同作業,ST可以將克羅爾工廠的製程引進阿格拉特工廠,以加速阿格拉特工廠的生產認證。



圖二十一
圖二十一

我們可以從克羅爾工廠吸取大量12吋晶圓的製造經驗。這兩個工廠的藍圖也一致,阿格拉特工廠將專注類比混合訊號、BCD、eNVM技術。為使這兩個晶圓廠的設計方案相容,我們採用了數位孿生技術,以加速所有的流程,並確保兩個工廠都能夠透過協作並充分發揮雙方的豐富經驗。


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圖二十二
圖二十二

除了投資擴建12吋晶圓的產能,我們也在加速擴建碳化矽元件的產能。2017 年,我們開始量產碳化矽元件,並取得了長足的進步,車規級碳化矽出貨量突破一億。就產能而言,相較2020年,ST在 2022 的產能成長了2.5倍以上,並且產能擴張還在繼續進行中。目前,卡塔尼亞和新加坡兩個工廠是ST生產碳化矽元件的主要基地。位於中國深圳和摩洛哥布斯庫拉的這兩個工廠則負責碳化矽元件的封裝和測試。



圖二十三
圖二十三

ST的目標是到 2024 年達成40%以上碳化矽基板的內部供應。因為我們知道,ST不可能永遠依賴外部提供基板。為此,ST制定策略並計畫收購 Norstel 以將其轉化為 ST的技術並擴大產能,以在 2024 年之前達到 40% 碳化矽基板的內部供應目標。



圖二十四
圖二十四

除了進行碳化矽的投資之外,我們還致力於提升氮化鎵的技術能力和產能,以達到公司的營收目標。ST擁有功率轉換GaN和射頻功率GaN技術。我們在法國圖爾還擁有了8吋功率GaN晶圓廠。同時,外延基板研發能力和試製生產線也已經準備就緒。我們在2022年完成了晶圓廠的生產認證,將在2023年開始量產和增產。除了這個8吋的功率GaN晶圓廠,我們還在義大利卡塔尼亞擁有6吋射頻GaN晶圓廠,該廠在2022年完成了晶圓廠生產認證。我們也非常重視GaN技術,因為它能與SiC技術互補,滿足客戶對功率元件的需求。



圖二十五
圖二十五

在內部產能擴建,我們投入了很多精力和財力。然而,僅僅依靠內部產能還是無法滿足客戶需求。為此,我們也與一些外包合作夥伴進行合作,發展策略性的製造外包。例如,就前段製程而言,有80%的晶圓產能透過ST內部資源完成,而有20%的產能需透過與合作夥伴合作獲取外部資源完成。就後段製程而言,ST內部能完成65%的封測工作,而ST的封測代工廠 (OSAT)則能完成 35% 的封測工作。透過採用策略和運營模式,我們可以非常靈活地因應客戶需求的成長,管理內部產能擴張計畫,並確保所有流程的流暢性,以為客戶提供高品質的服務。



圖二十六
圖二十六
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