15 experts de l'industrie sur les problèmes incessants des semi-conducteurs - et les solutions

Par Lisa Eitel | 16 mars 2023

Les produits semi-conducteurs ont été plus touchés que tout autre par les problèmes de chaîne d'approvisionnement induits par le COVID et ressentis dans le monde entier. Les tensions politiques internationales n'ont fait que prolonger et exacerber le problème.

Par Lisa Eitel | Rédacteur en chef

Chaque gadget, véhicule, appareil intelligent et appareil moderne est parsemé de semi-conducteurs à gogo - offrant cette fonction singulière de puissance de traitement qui est la caractéristique déterminante des produits électroniques avancés les plus appréciés aujourd'hui. Le problème mis à nu par COVID est de savoir comment la nature cosmopolite mais non diversifiée de l'industrie des semi-conducteurs la rend actuellement vulnérable à des problèmes disparates à travers le monde.

ABB Robotics a travaillé avec Easy Field Corporation (EFC) pour concevoir un déballeur de semi-conducteurs utilisant des robots IRB 1200 pour salle blanche pour connecter les stations et des IRB 4600 pour augmenter la capacité. Un lecteur de code-barres confirme les informations de l'étiquette ; puis un robot IRB 4600 transfère une boîte d'expédition à ouverture frontale (FOSB) vers une station de remplissage d'azote.

Dans de nombreux cas, une petite poignée d'entreprises exécutent le traitement des puces en Europe ; la construction de machines de traitement de puces en Californie et au Japon ; tests de puces en Asie du Sud-Est ; et assemblage dans le produit final (le cas échéant) en Chine. Il est de plus en plus préoccupant de savoir comment plus de la moitié de tous les semi-conducteurs et plus de 90 % de tous les semi-conducteurs avancés sont fabriqués dans la petite nation insulaire de Taïwan. Les usines de fabrication (fabs ou fonderies) y compris Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSM) fournissent plus de la moitié de tous les semi-conducteurs du monde et presque toutes les puces semi-conductrices avancées (avec des fonctionnalités extrêmement miniaturisées). Cependant, la possibilité imminente d'une revendication chinoise de Taiwan en tant que province pourrait menacer cette industrie.

Un ABB IRB 1200 utilise un couteau à ultrasons (qui ne génère pas de poussière) pour trancher le sac en aluminium contenant le FOSB. Ensuite, le robot de salle blanche fait passer la boîte en cours de traitement vers une autre station IRB 1200. Parce qu'un bras robotisé achemine les déchets de fabrication de semi-conducteurs vers une station centralisée, le chargement et le déchargement sont plus rapides. Image : ABB

Les tensions croissantes incluent les sanctions de l'ère Trump empêchant le géant chinois des télécommunications et de l'électronique Huawei d'utiliser des logiciels ou des technologies américaines et les sanctions de l'ère Biden ainsi que la loi de 2022 sur la création d'incitations utiles à la production de semi-conducteurs (CHIPS) et la loi scientifique. Ce dernier désigne 280 milliards de dollars pour des dépenses coordonnées au cours de la prochaine décennie aux États-Unis, y compris la R&D et la commercialisation des semi-conducteurs (200 milliards de dollars) ; fabrication et développement de la main-d'œuvre (52,7 milliards de dollars); et des crédits d'impôt pour la production de puces (24 milliards de dollars). La loi est similaire à la loi CHIPS officiellement adoptée par le Conseil européen de l'Union européenne en décembre 2022. Lisez la suite pour connaître l'opinion des panélistes de Design World sur ces initiatives.

Justin Lackey | Chef de produit — systèmes • Bosch RexrothKelly Walden | Vice-président de la fabrication • Bishop-Wisecarver Corp.Jonathan Schroeder | Vice-présidente exécutive • PBC LinearPamela Kan | Président et propriétaire • Bishop-Wisecarver Corp.Richard Johannes | Directeur de l'ingénierie et de l'innovation • LEMO USASteven Lassen | Responsable produit & applications • LEMO USATom Schroeder | Vice-président exécutif • PBC LinearAndy Zaske | Vice-président des ventes et du marketing • TolomaticBoaz Eidelberg | CTO • SAAR Inc.Nathan Andaya| Directeur — Unité commerciale stratégique Techline • LINAK USCamilo Orjuela | Responsable de segment industriel – semi-conducteurs et solaire • Bosch Rexroth Corp.Chris Gumas | Directeur du marketing • Ruland ManufacturingMike Beasley | Production américaine de semi-conducteurs • maxonAndrew Jung | Directeur de l'ingénierie • Bishop-WisecarverChris Gottlieb | Directeur — Entraînements et commandes • Kollmorgen

Lackey : Bien que le marché des semi-conducteurs commence à stagner pour 2023, nous prévoyons une augmentation significative dans les mois à venir et à l'approche de 2024, d'autant plus que les incitations gouvernementales ont renforcé les prévisions de la demande américaine. Cela dit, nous maintenons toujours une présence dans la région Asie-Pacifique en tant que fournisseur mondial de produits d'outillage pour semi-conducteurs.

Walden : Je soutiens la plupart des initiatives de notre gouvernement qui encouragent l'investissement dans le secteur manufacturier tout en donnant aux États-Unis un avantage stratégique et défensif dans l'économie mondiale.

Orjuela : La complexité croissante des conceptions de semi-conducteurs, ainsi que la demande croissante de semi-conducteurs de tous les segments de marché, mettent considérablement au défi les opérateurs de fabrication et les constructeurs d'outils de créer une production plus avancée tout en maîtrisant les coûts. Avec des coûts qui montent en flèche - la construction d'une usine de fabrication de semi-conducteurs coûte à elle seule entre 15 et 20 milliards de dollars - les fabricants de puces sont confrontés à un dilemme : doivent-ils acheter plus d'outils et agrandir leurs usines ou trouver des moyens d'améliorer le débit en utilisant des technologies d'automatisation plus adaptables et plus efficaces ?

Eidelberg : La plupart des fabs opèrent à Taïwan, au Japon, en Chine, aux États-Unis et en Allemagne et sont en activité depuis des décennies. Le défi est que les centres de fabrication coûtent des milliards de dollars à construire et à exploiter, et qu'ils nécessitent des employés hautement qualifiés pour fonctionner. De plus, les processus clés de fabrication de semi-conducteurs (y compris la lithographie) utilisent des machines d'extrême précision nécessitant une protection contre les perturbations dues à l'activité sismique, au bruit des aéroports, au passage des trains, au trafic routier et aux équipements de manutention locaux.

Pour concurrencer les installations de fabrication existantes à l'étranger, je pense que le financement américain devrait parrainer les universités et les fabricants d'équipements de semi-conducteurs prêts à développer des produits innovants utilisant la technologie AI/ML. En fin de compte, cela permettrait aux processus de fabrication de prendre des décisions autonomes en temps réel en réponse à des environnements de fabrication incertains. L'IoT, la 5G, le cloud et éventuellement les systèmes de crypto-monnaie pourraient compléter ces opérations autonomes pour améliorer les délais de commercialisation, la fiabilité, la qualité, la productivité et les coûts.

La nouvelle technologie de structuration Centura Sculpta d'Applied Materials permet aux fabricants de puces de créer des transistors hautes performances et d'interconnecter le câblage avec un seul motif de lithographie extrême ultraviolet (EUV) manipulable. En bref, la technologie vise à obtenir les résultats détaillés de la double structuration, mais à moindre coût, complexité et impact environnemental. Ceci n'est qu'un exemple des développements récents dans la fabrication de semi-conducteurs. Image : Matériaux appliqués

Gumas : Les produits Ruland sont utilisés par la plupart des plus grands fabricants d'équipements semi-conducteurs au monde. La conception de nouveaux équipements pour les entreprises américaines et européennes est principalement réalisée sur ces marchés, la production finale ayant généralement lieu en Chine. Si une partie de la fabrication déménage aux États-Unis, il n'y a aucun avantage direct pour nous. Les équipements qui pourraient bientôt être fabriqués aux États-Unis utilisent déjà des composants haut de gamme de fabricants tels que Ruland.

Cela dit, en tant que fabricant national, nous sommes heureux de voir les États-Unis investir dans n'importe quelle partie du secteur manufacturier. Il est susceptible de stimuler la croissance dans les divers métiers nécessaires pour soutenir l'industrie que l'industrie et le gouvernement ont sous-financé au cours des 30 dernières années.

T. Schroeder : Le gouvernement a fait un pas dans la bonne direction en investissant dans la fabrication et le développement nationaux de semi-conducteurs. Des milliards de dollars afflueront sur le marché américain pour construire et équiper ces usines. Une mise en garde est qu'il faudra des années avant que ces usines produisent en volume. De plus, l'imposition simultanée par l'administration Biden de limites d'exportation de semi-conducteurs vers la Chine a laissé une offre pour laquelle le marché américain des semi-conducteurs n'a pas de demande à remplacer.

Kan : Bien que je sois heureux de voir ce développement, je pense toujours que c'est un peu myope. Le CHIPS and Science Act est un bon premier pas, mais le gouvernement aurait dû apprendre de l'expérience COVID que de nombreux domaines critiques de la chaîne d'approvisionnement ne sont plus viables aux États-Unis. Une approche plus holistique doit être adoptée pour accroître la croissance et l'innovation du marché industriel américain.

Andaya : La délocalisation de la fabrication de semi-conducteurs aux États-Unis réduira les risques associés au fait d'avoir un partenaire de fabrication en Chine. Les plus grandes mises en garde sont les ramifications concernant le prix.

Gottlieb : Kollmorgen utilise à la fois des semi-conducteurs et vend sur le marché des servocommandes de mouvement à semi-conducteurs. La qualité, la facilité de programmation et l'optimisation de la puissance ainsi que la sortie de mouvement sont toutes essentielles sur ce marché. La diversification des emplacements physiques pour la fabrication de semi-conducteurs est bénéfique pour l'ensemble de l'industrie du contrôle de mouvement pour aider à améliorer la cohérence de l'approvisionnement des semi-conducteurs industriels utilisés dans nos produits.

Promulguée au troisième trimestre 2022, CHIPS a déjà stimulé les initiatives de recherche et de fabrication de semi-conducteurs. Si tout se passe bien, deux usines TSM en Arizona devraient commencer la production de puces 4 nm l'année prochaine (y compris pour Apple) et la production avancée de puces 3 nm suivra dans deux ans. Comme mentionné, les processus sont extrêmement complexes. Les plans de puces conçus dans des logiciels souvent propriétaires peuvent provenir de l'autre bout du monde pour être exécutés sur des tranches de silicium spécialisées à l'aide de gaz artificiels.

Kan : Dans le processus de fabrication de copeaux, nos roulements linéaires spécialisés sont utilisés pour transporter des produits dans des zones à haute température.

T. Schroeder : Nous fournissons des barres brillantes rectifiées avec précision et des rails de support pour le mouvement linéaire dans les équipements de fabrication de tranches de silicium.

Zaske : Nous soutenons pleinement la délocalisation de la fabrication de semi-conducteurs. Les produits Tolomatic sont utilisés dans le processus de croissance des plaquettes où la fiabilité, la stabilité et la précision peuvent faire une différence significative en termes de rendement et de qualité. Notre site de fabrication du Minnesota permet des délais d'exécution rapides, des modifications de produits pour des applications spécifiques et un support rapidement accessible pour les ingénieurs de conception nord-américains.

Lackey : La fabrication des composants qui entrent dans des systèmes et des sous-ensembles plus grands nous a aidés à accroître notre empreinte dans la fabrication d'outils pour semi-conducteurs. Nous fournissons actuellement des systèmes de rails à billes linéaires et des systèmes d'entraînement à vis à billes pour divers procédés de fabrication de semi-conducteurs. Ceux-ci comprennent des systèmes de fabrication et de levage de plaquettes, des systèmes de transfert d'outils de plaquettes, des bancs humides, des équipements de dépôt de matériaux et des machines de gravure et de traitement chimique. Nos technologies de guidage et d'entraînement linéaires entrent également dans les produits de catalogue standard et les modules linéaires.

Le type de modules linéaires que nous fournissons pour les outils à semi-conducteurs sont principalement des modules à vis à billes tels que nos modules de précision PSK avec guidage linéaire intégré et modules compacts (CKK) avec guidage à double rail à billes. Certains projets de plus petit volume utilisent nos modules d'entraînement par courroie compacts CKR avec guidage à double rail. Pour ces conceptions, la compacité et la précision ne sont pas aussi critiques pour l'application.

Au-delà de nos produits de catalogue standard, nous travaillons en partenariat avec des ingénieurs de conception pour leur fournir des sous-ensembles personnalisés conçus selon les spécifications. Ceux-ci intègrent nos systèmes de rails à billes standard, nos vis à billes et (dans les nouvelles conceptions d'outils) nos moteurs rotatifs et linéaires.

Image : Dreamstime • Kittipong Jirasukhanont

Walden : Les produits de Bishop-Wisecarver se retrouvent dans une large gamme d'équipements de fabrication de plaquettes et de semi-conducteurs grâce au bon fonctionnement et à la haute qualité de nos produits.

Jung : Nos composants sont bien adaptés pour répondre aux demandes croissantes de l'industrie des semi-conducteurs où des environnements propres sont nécessaires. Le fonctionnement continu de l'équipement, y compris pour la fabrication de plaquettes, est essentiel. En effet, une défaillance au cours de tout processus de fabrication de semi-conducteurs peut entraîner des pertes coûteuses.

L'équipement de mouvement d'extrême précision coupe, grave et dépose les détails des semi-conducteurs dans les tranches de silicium, puis transporte les puces finies vers l'avant.

Orjuela : Avec la complexité des processus de puces d'aujourd'hui, le transport des tranches doit être rigoureusement contrôlé pour être aussi stable et sans vibration que possible. Sinon, les vibrations peuvent générer des particules qui peuvent contaminer la plaquette ou risquer de provoquer de minuscules défauts dans la forme de la plaquette. Dans le même temps, si le transport des plaquettes est trop lent, la productivité en souffre et les coûts augmentent. Nous avons développé une expertise approfondie dans la résolution des problèmes de contrôle de mouvement pour de nombreuses applications frontales de manipulation de plaquettes. Notre portefeuille multi-technologies combine des contrôleurs basés sur des applications ouvertes, des servovariateurs compacts spécialement développés pour les applications d'outils à semi-conducteurs et des systèmes de technologie linéaire conçus pour fournir un mouvement précis sans vibrations.

À l'aide de ce portefeuille, nous créons des assemblages mécatroniques personnalisés incorporant des technologies pour répondre aux exigences exigeantes de contrôle de mouvement, d'efficacité et de débit de la fabrication de semi-conducteurs. Ces assemblages préconçus et testés aident les constructeurs d'outils à compléter et à fournir plus rapidement des systèmes aux fabricants de puces, et peuvent aider les opérateurs de fabrication à rationaliser les processus et à obtenir des mouvements fluides et précis et un positionnement à l'échelle nanométrique.

Bosch Rexroth relève les défis du contrôle de mouvement pour de nombreuses applications frontales de manipulation de plaquettes.

Johannes : LEMO propose plusieurs produits d'interconnexion utilisés dans les systèmes de mise en réseau, de contrôle et vidéo nécessaires aux équipements de fabrication de semi-conducteurs. Ces produits fournissent des connexions hermétiquement scellées pour relier différents segments de l'équipement tout en maintenant une isolation environnementale essentielle. Les applications de connexion comprennent le dépôt en phase vapeur, l'implantation ionique, la gravure et le polissage mécano-chimique (CMP).

La configuration hybride de LEMO intègre des éléments fibre monomode, haute tension et basse tension dans le même boîtier robuste.

Lassen : De nombreux capteurs et connecteurs sur les équipements de fabrication de semi-conducteurs fonctionnent dans un environnement de salle blanche. Dans certains cas, les connecteurs de ces composants doivent être assemblés au câble dans la salle blanche… et cela rend la soudure difficile. Pour éviter ce problème, l'utilisation de contacts à sertir élimine les vapeurs de soudure de la contamination de l'air.

Dans les applications semi-conducteurs, les mesures de puissance de chauffage et de température peuvent également être transmises via nos connecteurs robustes et compacts. Les connecteurs sont faciles à connecter et à déconnecter rapidement. De plus, ils peuvent accueillir des contacts de thermocouple de type K ou J, ainsi que des signaux ou de l'alimentation ou même des fibres optiques dans le même boîtier de connecteur robuste et compact.

Malheureusement, dans certains contextes de fabrication de semi-conducteurs sous vide poussé, une condition appelée soudage à froid peut se produire. C'est lorsque les moitiés accouplées d'un ensemble de connecteurs fabriqués à partir du même matériau métallique sont exposées à un vide et (au fil du temps) les deux moitiés se soudent là où les composants internes se touchent. Le soudage à froid peut rendre difficile ou impossible le désaccouplement. Pour résoudre ce problème, LEMO propose des connecteurs avec des moitiés de métaux différents.

Beasley : Nous proposons des solutions économiques pour les applications de contrôle de mouvement les plus exigeantes du marché des semi-conducteurs. maxon collabore avec des leaders de l'industrie et s'appuie sur ses connaissances en matière de mouvement et d'application pour fournir des systèmes précis utilisant des servovariateurs cc sans balais rotatifs et linéaires compacts ainsi que des commandes. Au cœur de la production de semi-conducteurs se trouve la tranche chère et délicate elle-même. La plaquette est rapidement déplacée à travers plusieurs processus automatisés - y compris le levage, le positionnement, le maintien, la gravure, le polissage et l'inspection de la matière première au produit final de la puce de circuit - pour un débit et une précision maximaux dans des contraintes de taille strictes.

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L'ASML TWINSCAN NXE:3400B prend en charge la lithographie extrême basée sur l'ultraviolet pour conférer des caractéristiques de 7 et 5 nm aux produits semi-conducteurs avec un débit et une résolution élevés pour compléter la technologie d'immersion au fluorure d'argon (ArFi) d'ASML. Image : ASML