日本颠覆台积电霸业的秘密武器──物联网时代的“迷你晶圆厂”

作者 | 发布日期 2016 年 06 月 05 日 12:04 | 分类 芯片 , 零组件
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台积电最新的超大晶圆厂(GIGAFAB),每个月可生产超过 10 万片 12 寸晶圆,每座造价高达 3 千亿新台币(约合610亿人民币)。但今年 4 月 1 日,日本推出的“迷你晶圆厂”(Minimal Fab),瞄准物联网时代小量、多样的感测器需求,起价却只要 5 亿日元(0.3 亿元人民币)。《日经商业周刊》称之为:“颠覆全球半导体业界的制造系统”。



这个由经济产业省主导,由 140 间日本企业、团体联合开发的新世代制造系统,目标是透过成本与技术门槛的大幅降低,让汽车与家电厂商能自己生产所需的半导体及感应器。形同推翻台积电董事长张忠谋 30 年前所创的晶圆代工模式,重回早年飞利浦、Sony 等大厂都自己生产半导体的垂直整合时代。

贩卖这种生产系统的,是日本横河电机集团旗下的横河解决方案。每台外型流线、美观的制造机台,大小约与饮料自动贩卖机差不多,但各自具备洗净、加热、曝光等功能。每一台机器,都相当于一条半导体制造的生产线。一条“迷你晶圆厂”产线,所需的最小面积是大约是两个网球场的大小。也仅是一座 12 寸晶圆厂的百分之一面积。

“迷你晶圆厂”能够做到如此廉价、体积小,首先是挑战业界常识的创新做法──不需要无尘室。

半导体芯片上如果沾有超过 0.1 微米的灰尘就算是不良品,为此,制造室内一定要保持超高洁净度。维持无尘室需要大量的电力,因此不只投资金额很高、维持费用也相当惊人。所以半导体不大量生产的话,很难获利。

产业技术总合研究所的原史朗挑战了这项业界的常识。“半导体工厂真的需要无尘室吗?明明需要隔绝灰尘的只有晶圆而已。”抱持着这项疑问,原史朗从 1990 年代开始构想“迷你晶圆厂”。

几年后,原史朗终于开发出局部无尘化的关键技术,并将此成果制出特殊运输系统“Minimal Shuttle”。利用电磁铁控制开关,几乎不会有灰尘进入。

“迷你晶圆厂”的另一个特点,是不需要用到光罩,这又可大幅降低成本。Minimal Fab 的概念,就是那样的时代十分需要的多种少量生产系统。要处理的晶圆大约直径 0.5 英寸,比 1 日元硬币还要小。因为晶圆很小,所以生产设备也要跟着变小。

芯片从晶圆上切割下来,大约 1 平方公分大小。“迷你晶圆厂”的年产量大约是 50 万个,一般的 12 寸晶圆厂则是两亿个。如果只生产 1 万个,市面上每一芯片要收 1 万日元,但“迷你晶圆厂”只要收 1,200 日元。

这项“迷你晶圆厂”的研发计划,源自 2010 年。从 2012 年开始的 3 年内,获得经济产业省的预算,计划也随之通过。现在包含许多制造大厂在内,共 140 间企业团体参与。虽然是由横河解决方案在销售,可是参与开发制造的日本中小企业大约有 30 间,这也是该设备的一大特色之一。

目前“迷你晶圆厂”的半导体前段制程所需的设备,已经大致研发完毕,开始正式销售。预计 2018 年以前,切割芯片功能与封装等的后段制程设备也会开发完成。

(本文由 天下杂志 授权转载)

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