【導讀】對于ST而言，芯片設計和制造同樣重要。ST在制造上的戰略規劃正在逐步實施，將會幫助其實現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計劃，這樣才能實現長期的雙贏。
芯片的制造周期非常長，總周期長達20～35周不等。而這項業務的周期之長，也就是整個業務的復雜性和挑戰所在。我們需要客戶盡早與我們分享他們的設計方案和生產計劃，告知我們他們需要何種產品以及需要的數量，這樣我們才能實現長期的雙贏。
在半導體行業，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。
意法半導體執行副總裁、中國區總裁曹志平 (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，業務復雜、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，電子產業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，半導體技術的發展一路狂奔。在這期間，Fabless的出現加速了整個半導體行業的創新發展；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、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。
▲意法半導體執行副總裁、中國區總裁曹志平 (HENRY CAO)
加大產能投資，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節，再加上產品的運輸，總周期長達20～35周不等。而這項業務的周期之長，也就是整個業務的復雜性和挑戰所在。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，確保客戶需求和制造產量達到合理的匹配水平。“我們需要客戶盡早與我們分享他們的設計方案和生產計劃，告知我們他們需要何種產品以及需要的數量，這樣我們才能實現長期的雙贏。”曹志平分享道，“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；也許半導體制造商會受到傷害，因 為我們可能生產了很多客戶不再需要的產品，而讓它們成為庫存。所以，這就是管理這類業務的復雜性所在。”
為了實現和客戶的長期雙贏，ST一直堅持IDM的策略，在全球布局制造業，并且推動自己制造低碳化轉型。擴大內部產能同時輔以外部分包使其更具靈活性和產能保證，對于差異化的產品研發和制造，ST堅持在內部完成，但對于一些標準的生產和封裝，可以分包給外部的供應商；同時也和業界領先的晶圓廠開展技術研發合作，共同進行前道技術的創新。
對于擴大產能投資是其重要的戰略布局，ST 計劃在2022年至2025年間將12英寸晶圓的內部制造產能擴大一倍。據曹志平分享，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)晶圓產能。2023年將延續這個策略，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對于第三代半導體的持續強勁需求，ST也將加大對與SiC以及GaN的技術研發投入和垂直整合，通過并購實現技術引入，通過建廠擴大內部產能。在GaN和SiC方面，ST將在今年年內完成內部生產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整體戰略的一部分，將打造全球SiC技術創新中心
得益于近年來汽車電氣化和低碳化的趨勢推動，業界對于SiC需求增長強勁，觀察在去年的半導體下行周期中，仍取得亮眼業績表現的芯片原廠，無不來自其對在該領域的業務增長。ST從2017年開始量產碳化硅器件，目前其車規級碳化硅出貨量已經突破一億。相比2020年，ST在2022的SiC產能增長了2.5倍以上，并且產能擴張還在繼續進行中。
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
● 規劃建設新廠，目標到2024年實現內部采購比例超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，其產能也實現了翻倍。制造成本上也迎來了突破，ST SiC AB工廠已經推出了首批內部用8英寸原型晶圓，預計2024年前會實現8英寸晶圓的量產。
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技術創新中心。
其實ST是世界上第一家進行BCD技術開發的公司，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年持續的專注和研發投入，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，還將整合ST的研發和制造優勢，團結周邊優勢資源，成為全球的SiC技術創新中心。據悉，ST在卡塔尼亞與不同的機構和企業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、設備及產品制造企業，以及供應商網絡等。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新中心的地位，并帶來進一步發展機會。
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模商用機遇的第三代半導體器件。據行業分析機構預測，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，其外延襯底研發能力和試制生產線也已經準備就緒。2022年已經完成了晶圓廠的生產認證，將在2023年開始量產和增產。在意大利卡塔尼亞，還有一座6英寸射頻GaN晶圓廠，該廠在已經在2022年完成了晶圓廠生產認證。
加大混合芯片制造技術創新，開展廣泛技術合作
除了上述提到的功率器件外，ST在數字芯片和射頻、模擬芯片領域也有著廣泛且優勢的產品組合，對于這些芯片的制造，ST也制定了投資和技術創新策略。
在產能方面，ST著力于12英寸晶圓廠的產能提升。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目標是在今年的產能基礎上，截至2025年將12英寸晶圓的產能提高一倍。得益于高塔半導體(Tower Semiconductor) 的產能共享，意大利阿格拉特工廠實現了快速的產能拉升，在去年10月首個晶圓生產批次成功下線，預計將在2023年上半年安排大部分的生產認證。
值得一提的是，這兩座12英寸晶圓廠采用了數字孿生的技術，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，所有的建廠和投產流程都實現了加速，而且兩個工廠都能夠通過協同合作并充分發揮對方的豐富經驗。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英寸晶圓廠的產能提升。因此，所有這些晶圓廠都將可以利用大量的協同效應和已有的經驗。”
在制造技術的創新方面，ST關注更適合混合信號應用的FD-SOI技術，并與業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新性的電源管理技術，FD-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的全數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技術創新的先行者，已經生產FD-SOI芯片多年，為各種終端市場提供定制和標準的先進產品。
在去年4月，CEA、Soitec、GlobalFoundries(格芯) 和ST宣布聯合制定下一代FD-SOI技術發展路線圖，以推進下一代汽車、物聯網、移動等應用上對于FD-SOI技術產品引入。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) 聯營廠。該聯營廠的目標是在2026年前達到全部產能，建成后的年產能達到62萬片12寸晶圓，其中ST 產能約占42%，格芯產能約占58%。據悉聯營廠將支持包括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200億營收的目標。此次合作將助力ST的發展，降低風險管控，同時也會加強歐洲FD-SOI生態系統。
引領未來制造：數字化和可持續
對于ST而言，制造的數字化和可持續并重，而且工廠數字化轉型可以進一步促進低碳化生產。ST已經宣布了自己的可持續發展目標，將在2027年實現碳中和。ST針對可持續發展的戰略分為兩部分，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，直接減少碳排產生。
新加坡工廠是ST全球產量最大的晶圓廠，ST在該工廠投資3.7億美元，啟動了區域集中供冷系統(DCS)項目，通過管道輸配冷凍水為生產設備降溫，取代數百個耗電的空調系統。該項目落成后，新加坡工廠每年可節省制冷相關用電量20%，向環境減排量多達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，并盡可能地循環利用水。最終在2022年，ST每個單位產量用水量比2016年減少12%。
據曹志平分享，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環境健康安全團隊完成了53個能源管理改進項目，總計節電 35 千兆瓦時。所有這些舉措都是為了減少碳排放量，ST已經用水和用電量等方面取得了非常積極的成果。
產品的交付并不意味著其ST節能減排責任的結束，而是對其產品新的碳足跡追溯的開始。ST在設計產品時，就將芯片整個生命周期對環境的影響考慮在內。目前，帶有負責任產品標志的產品在ST的新產品中占比達到63%，負責任產品的營收貢獻率為20%。根據歐盟分類標準，在整個產品生命周期內大幅減少溫室氣體排放的產品的營收貢獻率為37%。
結語
目前，ST在歐洲、亞太地區部署了14個工廠，實現了全球化的制造業布局。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都會堅持技術創新和資產投入，這將會支撐ST在未來幾年實現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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