Minifaby sposobem na małoseryjną produkcję półprzewodników

Główną przeszkodą dla niskonakładowej produkcji przy tradycyjnej metodzie produkcji są wysokie koszty używanego oprzyrządowania. Bez względu na skalę wytwarzania, produkowany element musi zostać poddany tym jednakowym procesom, a więc wymaga użycia tego samego sprzętu produkcyjnego. Produkowanie w mniejszych ilościach wiąże się ze stratami spowodowanymi niepełnym wykorzystaniem wydajności użytych urządzeń.

Nadchodząca dominacja elektroniki konsumenckiej w elektronice i związany z tym coraz krótszy czas życia produktów na rynku wymusza na producentach nowe, elastyczniejsze podejście do wytwarzania układów scalonych. Tradycyjne zakłady produkcyjne (silicon foundries) są nieprzystosowane do częstych zmian wytwarzanych układów, przy jednoczesnym utrzymaniu kosztów na niskim poziomie.

Celem od zawsze było zmniejszanie wymiarów technologii oraz ceny. Obecnie uznaje się, że ryzyko związane z utrzymaniem dotychczasowego podejścia do wytwarzania jest zbyt duże. Ważne staje się bowiem szybkie reagowanie na zmieniające się zapotrzebowania konsumentów.

Główną przeszkodą dla niskonakładowej produkcji przy tradycyjnej metodzie produkcji są wysokie koszty używanego oprzyrządowania. Bez względu na skalę wytwarzania, produkowany element musi zostać poddany tym jednakowym procesom, a więc wymaga użycia tego samego sprzętu produkcyjnego. Produkowanie w mniejszych ilościach wiąże się ze stratami spowodowanymi niepełnym wykorzystaniem wydajności użytych urządzeń.

Koncepcja minifabu zakłada zmniejszenie kosztów uruchomienia, eksploatacji oraz rozmiarów nowoczesnej linii produkcyjnej układów scalonych poprzez zastosowanie wielofunkcyjnych urządzeń. Głównym założeniem jest możliwość produkcji nisko nakładowej oraz umożliwienie szybkiego przełączania pomiędzy procesami, co pozwala w krótszym czasie reagować na zapotrzebowanie rynku oraz daje możliwość łatwiejszego dostosowania podaży do popytu. Innymi słowy, celem projektu jest skonstruowanie narzędzia zdolnego do produkowania w małych ilościach z efektywnością dorównującą dużym zakładom.

Pierwsze realizacje

Japan's Highly Agile Line-Concept Advancement (HALCA) to projekt, który był realizowany w latach 2001-2004 i zajmował się możliwościami szerszego zastosowania minifabów w produkcji układów scalonych. O skali przedsięwzięcia może świadczyć fakt, że zainteresowane firmy m.in. Toshiba, Sony, Sharp, Epson, Rohm oraz Sanyo, przeznaczyły na ten cel 75mln dolarów. Celem HALCA było zmniejszenie nakładów potrzebnych na uruchomienie oraz funkcjonowanie minifabu oraz zredukowanie o 60% energii potrzebnej dla jego działania.

Ten ostatni postulat zgłoszony został przez rząd Japonii, który także brał udział w projekcie. Już 2 miesiące po zakończeniu projektu sprzedano pierwsze urządzenia przystosowane do pracy w formie minifabu. Mimo, iż przedsięwzięcie zostało zamknięte w 2004 roku bez planów na dalszą współpracę w ramach wspólnego projektu, poszczególne firmy nadal prowadzą badania w tym kierunku.. Wyniki prac HALCA zachęcają do dokładniejszego przyjrzenia się potencjalnym korzyściom wynikającym z zastosowania tej technologii lub niektórych z jej elementów.

Zaletą minifabów jest stosunkowo niski koszt wykonania. O ile tradycyjna fabryka układów scalonych to wydatek rzędu kilku miliardów dolarów, budowa minifabu kosztuje w granicach od 150 do 200 mln dolarów. Jest to dobre rozwiązanie dla początkujących firm, posiadających odpowiednie zaplecze intelektualne, ale bez wystarczających środków na rozpoczęcie dużej produkcji.

Minifaby są też szansą na uwolnienie firm fabless od konieczności konkurowania z większymi koncernami z Azji i USA o miejsce na taśmach produkcyjnych w dużych zakładach. Zamiast tego, mogłyby one same produkować swoje układy scalone. Niższa cena tego rozwiązania pozwala na wyposażenie zakładu w nowoczesne urządzenia produkcyjne, niedostępne przy zastosowaniu tradycyjnej koncepcji.

Zastąpi to praktykę kupowania używanych maszyn oraz niepełnego wyposażania hal produkcyjnych, co prowadzi do zmniejszenia wydajności produkcji. Minifab to także duże oszczędności energii. Szacuje się, iż wyprodukowanie tej samej liczby płytek daje o 60% mniejsze koszty niż w tradycyjnych zakładach.

Dzięki małym rozmiarom minifabów, łatwiejsze jest uzyskanie odpowiednich standardów czystości powietrza, co znacząco wpływa na zmniejszenie kosztów eksploatacji. Oszczędności te przekładają się na dalsze zmniejszenie zużycie prądu i wody oraz na uproszczenie systemu wentylacji.

Bardzo ważnym czynnikiem stanowiącym o atrakcyjności minifabów są zastosowane w nich urządzenia. Oszczędności na tym polu nie objawiają się w cenie jednostkowej maszyny, ale przede wszystkim w mniejszej ich liczbie potrzebnej do wyposażenia hali. Zastosowanie wielozadaniowych urządzeń umożliwia optymalne dostosowanie procesu technologicznego do wymogów produkowanego elementu. Dzięki wszechstronności wykorzystywanego oprzyrządowania, minifab wydaje się atrakcyjnym rozwiązaniem dla procesów, których czas trwania nie przekracza paru dni.

Podstawowym kryterium doboru wyposażenia jest jego wielofunkcyjność. Urządzenia te są w stanie przełączać się pomiędzy procesami oraz wykonać więcej niż jeden etap produkcji, co dodatkowo zwiększa wydajność. Ponieważ liczba zastosowanego oprzyrządowania jest mała, duże znaczenie ma jego budowa modułowa. Ułatwia to konserwacje i rozbudowę oraz umożliwia szybką i tanią wymianę sprzętu podczas awarii. Dostosowanie aparatury do wymogów produkowanego urządzenia oznacza jedynie wymianę odpowiednich modułów.

Ważnym aspektem jest także integracja zastosowanych urządzeń. W celu skrócenia czasu produkcji, i tym samym osiągnięcia większej wydajności, należy zredukować do minimum czas transportu elementów pomiędzy kolejnymi etapami obróbki.

Są też wady

Pomimo wszystkich swoich zalet, minifab nie jest idealnym rozwiązaniem problemów nękających przemysł elektroniczny. Mimo niskich kosztów, jedynym potencjalnym zastosowaniem tego typu jednostki jest wytwarzanie produktów niszowych, wykonywanych na zamówienie oraz wersji specjalnego przeznaczenia. Głównym powodem, dla którego minifab przegrywa konkurencję z tradycyjnymi fabrykami jest wciąż niedostateczna wydajność określana na 2500 płytek krzemowych miesięcznie, czyli około dziesięciokrotnie mniej niż tradycyjnie.

Kolejny znaczący problem związany jest z tym, że mimo wszystko oparcie się produkcji na niewielkiej liczbie maszyn, jest jednak ryzykowne, ponieważ awaria jednego z nich może znacząco zmniejszyć, a nawet zatrzymać cały proces. Wspomniana już budowa modułowa pozwala zmniejszyć straty z tym związane, jednak kupno zapasowych modułów jest niezwykle kosztownym rozwiązaniem.

Wymaga to ciągłego monitorowania urządzeń w celu zapobiegania wszelkim usterkom. Na tym polu minifab przegrywa konkurencję z dużymi zakładami, gdzie produkcja odbywa się na wielu przyrządach równolegle i awaria jednego z nich nie wpływa znacząco na zmniejszenie wydajności.

Zastosowania

Wyniki trzyletnich prac HALCA wskazują, iż minifaby mogą znaleźć zastosowanie przy produkcji układów w technologii CMOS, MEMS oraz układów optoelektronicznych i mikrowyświetlaczach. Takie elementy, racji trudności z adaptacją do dużych linii produkcyjnych, stanowią potencjalne pole zastosowań.

Należy podkreślić, że minifab jest projektem będącym nadal w fazie rozwoju, stwarzającym jednak dobre perspektywy na przyszłość. Tania, niskonakładowa produkcja półprzewodników wywołałaby dużą zmianę na rynku elektronicznym, powodując dalsze zmniejszanie cen urządzeń konsumenckich. Własną produkcję układów scalonych mogłyby zacząć także firmy fabless.

Potencjalne korzyści mogą odczuć także duże koncerny motoryzacyjne i przemysłowe. Możliwość taniej produkcji na własne potrzeby, poza oszczędnościami finansowymi, pozwala skrócić czas dotarcia finalnego produktu na rynek.

Mimo niewielu przykładów wdrożenia tego typu produkcji, nie można przeceniać wpływu, jaki minifab ma na branżę elektroniczną. Przede wszystkim, zmienił podejście firm do produkcji układów scalonych. Wiele z rozwiązań w nim zastosowanych, jak np. urządzenia wielofunkcyjne, jest przenoszonych do dużych fabryk. Paradoksalnie, minifab, pierwotnie mający zastąpić te zakłady produkcyjne, doprowadził do wzmocnienia ich pozycji.

Wyniki badań nad możliwością produkcji niskonakładowej, w szczególności tych przeprowadzonych przez projekt HALCA, zaowocowały usprawnieniem dotychczas istniejących linii produkcyjnych.

Jacek Dębowski