ST中国区总裁介绍半导体制造战略：加大第三代半导体垂直整合，与客户长期双赢
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✦ 作者：21ic 刘岩轩
对于ST而言，芯片设计和制造同样重要。ST在制造上的战略规划正在逐步实施，将会帮助其实现200亿美元营收和2027碳中和两大目标。而因为芯片制造漫长而又复杂，所以芯片厂商需要客户及早分享设计方案及生产计划，这样才能实现长期的双赢。
芯片的制造周期非常长，总周期长达20～35周不等。而这项业务的周期之长，也就是整个业务的复杂性和挑战所在。我们需要客户尽早与我们分享他们的设计方案和生产计划，告知我们他们需要何种产品以及需要的数量，这样我们才能实现长期的双赢。
在半导体行业，如果要为整个晶圆厂的洁净室换气，所需的时间仅需七秒。利用一吨沙子， 可以制造出5000片8英寸晶圆。
如果想知道晶圆厂制造一颗晶片的整个工序所经历的流程长度，答案是40公里左右。
在很多情况下，半导体芯片的尺寸比跳蚤、毛发和病毒等都要小很多。目前，晶体管的尺寸可以是10纳米，或者是7纳米、5纳米、甚至是3纳米。
▲意法半导体执行副总裁、中国区总裁曹志平 (HENRY CAO)
加大产能投资，坚持垂直整合，和客户长期双赢
芯片的制造周期非常长，包括了晶片制造、电测、封装测试和成品测试等环节，再加上产品的运输，总周期长达20～35周不等。而这项业务的周期之长，也就是整个业务的复杂性和挑战所在。半导体的制造，尤其是大批量的客户的需求，更需要客户和芯片制造商之间保持密切的沟通，确保客户需求和制造产量达到合理的匹配水平。“我们需要客户尽早与我们分享他们的设计方案和生产计划，告知我们他们需要何种产品以及需要的数量，这样我们才能实现长期的双赢。”曹志平分享道，“如果需求发生变化，也许客户会受到伤害，因为我们可能没有做好满足需求的准备；也许半导体制造商会受到伤害，因 为我们可能生产了很多客户不再需要的产品，而让它们成为库存。所以，这就是管理这类业务的复杂性所在。”
为了实现和客户的长期双赢，ST一直坚持IDM的策略，在全球布局制造业，并且推动自己制造低碳化转型。扩大内部产能同时辅以外部分包使其更具灵活性和产能保证，对于差异化的产品研发和制造，ST坚持在内部完成，但对于一些标准的生产和封装，可以分包给外部的供应商；同时也和业界领先的晶圆厂开展技术研发合作，共同进行前道技术的创新。
对于扩大产能投资是其重要的战略布局，ST 计划在2022年至2025年间将12英寸晶圆的内部制造产能扩大一倍。据曹志平分享，ST在2022年资本支出35亿美元，其中很大一部分是用于扩大其12英寸(300毫米)晶圆产能。2023年将延续这个策略，预计资本支出约40亿美元，其中很大一部分用于12英寸(300毫米)工厂的扩建。为了应对电动汽车和工业对于第三代半导体的持续强劲需求，ST也将加大对与SiC以及GaN的技术研发投入和垂直整合，通过并购实现技术引入，通过建厂扩大内部产能。在GaN和SiC方面，ST将在今年年内完成内部生产8英寸(200毫米)晶圆的准备工作；并预计在2024年把SiC衬底的内部供应比率提升到40%。
SiC衬底制造是ST整体战略的一部分，将打造全球SiC技术创新中心
得益于近年来汽车电气化和低碳化的趋势推动，业界对于SiC需求增长强劲，观察在去年的半导体下行周期中，仍取得亮眼业绩表现的芯片原厂，无不来自其对在该领域的业务增长。ST从2017年开始量产碳化硅器件，目前其车规级碳化硅出货量已经突破一亿。相比2020年，ST在2022的SiC产能增长了2.5倍以上，并且产能扩张还在继续进行中。
曹志平表示，对于像碳化硅这样的新技术，尽可能多地控制整个制造链非常重要（包括碳化硅衬底、前工序晶圆制造、后工序封测和定制SiC功率模块），ST会尽全力掌握这些关键步骤。而当前，ST的SiC衬底主要分别从美国和日本的两家衬底供应商手里，采购6英寸(150 毫米) 衬底晶圆。针对SiC垂直整合，ST以及制定了非常详细的计划，包含四个方面：
✦ 供应链垂直整合：2019年第四季度完成对Norstel AB 公司（现更名为 ST SiC AB）收购
✦ 2020年第一季度首次内部供应6英寸（150毫米）衬底
✦ 2021年第三季度推出首批8英寸（200毫米）晶圆样品，预计2024年前量产
✦ 规划建设新厂，目标到2024年实现内部采购比例超40%
对于Norstel AB的收购，让ST掌握了上游SiC衬底的制造能力，具备了完整的SiC垂直制造链。随着Norstel AB技术的引进，ST在意大利卡塔尼亚的建厂计划也随之展开，一个总价约7.3 亿欧元(约8亿美元)的衬底晶圆厂正在建设中。新加坡工厂作为ST最大的工厂，其产能也实现了翻倍。制造成本上也迎来了突破，ST SiC AB工厂已经推出了首批内部用8英寸原型晶圆，预计2024年前会实现8英寸晶圆的量产。
曹志平表示，将衬底整合到制造链，不仅是为了控制成本和产量，还是为了获得更好的良率。而与Soitec在SmartSiC技术上展开的合作，可以在降低成本的同时，提高产品性能。
目前，碳化硅衬底是从单晶碳化硅晶棒上切割下来的圆片，这种方法的缺点是单晶碳化晶棒很薄，只能获得数量有限的晶片，成本居高不下。而通过 SmartSiC制造工艺，可以在多晶碳化硅衬底上掺杂电阻率更低的单晶碳化硅层。从去年12月宣布与Soitec合作之后，ST接下来都将在产前测试合格后启用SmartSiC技术。
另一个值得关注的是，ST将会在意大利卡塔尼亚打造一个全球SiC技术创新中心。
其实ST是世界上第一家进行BCD技术开发的公司，在BCD方面有着深厚的技术积累。ST 在碳化硅领域的先驱地位要归功于25年持续的专注和研发投入，以及大量关键技术专利组合。卡塔尼亚不仅将成为ST的SiC衬底的制造重镇，还将整合ST的研发和制造优势，团结周边优势资源，成为全球的SiC技术创新中心。据悉，ST在卡塔尼亚与不同的机构和企业保持长期的合作关系，包括卡塔尼亚大学、 CNR-意大利国家研究委员会、设备及产品制造企业，以及供应商网络等。通过加大投资，ST将夯实卡塔尼亚工厂作为全球碳化硅技术创新中心的地位，并带来进一步发展机会。
射频和功率GaN两手抓，布局未来潜力市场
除了SiC外，GaN被视为是另一种即将迎来大规模商用机遇的第三代半导体器件。据行业分析机构预测，整个功率市场在2021-2026年间复合年增长率约9%，从195亿增长到302亿美元。但即便到2026年，功率GaN在整个市场的占比仍然很小，最多占比10%。GaN这项技术仍具有非常好的前景，将成为功率晶体管市场的关键器件之一。
GaN的应用主要在射频和功率器件两个方面，而ST采取的策略是双管齐下，同时布局功率转换GaN和射频功率GaN技术。曹志平表示，ST非常重视GaN技术，因为它能与SiC技术互补，满足客户对功率器件的需求。
ST在法国图尔拥有8英寸功率GaN晶圆厂，其外延衬底研发能力和试制生产线也已经准备就绪。2022年已经完成了晶圆厂的生产认证，将在2023年开始量产和增产。在意大利卡塔尼亚，还有一座6英寸射频GaN晶圆厂，该厂在已经在2022年完成了晶圆厂生产认证。
除了上述提到的功率器件外，ST在数字芯片和射频、模拟芯片领域也有着广泛且优势的产品组合，对于这些芯片的制造，ST也制定了投资和技术创新策略。
在产能方面，ST着力于12英寸晶圆厂的产能提升。ST斥巨资投资了两个工厂：一个是位于法国的克罗尔，另一个则位于意大利的阿格拉特。ST目标是在今年的产能基础上，截至2025年将12英寸晶圆的产能提高一倍。得益于高塔半导体(Tower Semiconductor) 的产能共享，意大利阿格拉特工厂实现了快速的产能拉升，在去年10月首个晶圆生产批次成功下线，预计将在2023年上半年安排大部分的生产认证。
值得一提的是，这两座12英寸晶圆厂采用了数字孪生的技术，法国克罗尔工厂建造时间要早得多，而目前阿格拉特工厂还在建设中。
通过数字孪生技术，ST将克罗尔工厂的制造工艺同步引进到阿格拉特工厂，加快了阿格拉特工厂的生产认证。两个工厂的路线图保持一致，设计方案相互兼容，所有的建厂和投产流程都实现了加速，而且两个工厂都能够通过协同合作并充分发挥对方的丰富经验。曹志平表示，“展望未来，ST甚至可以利用这个技术，加快许多其他12英寸晶圆厂的产能提升。因此，所有这些晶圆厂都将可以利用大量的协同效应和已有的经验。”
在制造技术的创新方面，ST关注更适合混合信号应用的FD-SOI技术，并与业界领先的晶圆厂展开前道技术合作。
FD-SOI（全耗尽型绝缘体上硅）是一种平面工艺技术，在实际简化制造工艺的同时，还可减少硅的几何形状。得益于晶体管的严格静电控制和极具创新性的电源管理技术，FD-SOI被公认为低功率、RF和毫米波应用的领先技术。对于汽车应用而言，这项技术技术支持汽车行业的全数字化和软件定义汽车架构转型、以及无人驾驶技术。ST是FD-SOI技术创新的先行者，已经生产FD-SOI芯片多年，为各种终端市场提供定制和标准的先进产品。
在去年4月，CEA、Soitec、GlobalFoundries(格芯) 和ST宣布联合制定下一代FD-SOI技术发展路线图，以推进下一代汽车、物联网、移动等应用上对于FD-SOI技术产品引入。在去年7月，ST和GlobalFoundries签署了一份谅解备忘录，在ST法国克罗尔12寸(300 毫米)工厂附近新建一个12寸(300 毫米) 联营厂。该联营厂的目标是在2026年前达到全部产能，建成后的年产能达到62万片12寸晶圆，其中ST 产能约占42%，格芯产能约占58%。据悉联营厂将支持包括FD-SOI在内的多种衍生技术，推动ST从28nm迈向18nm的技术路线，支持ST未来实现200亿营收的目标。此次合作将助力ST的发展，降低风险管控，同时也会加强欧洲FD-SOI生态系统。
引领未来制造：数字化和可持续
对于ST而言，制造的数字化和可持续并重，而且工厂数字化转型可以进一步促进低碳化生产。ST已经宣布了自己的可持续发展目标，将在2027年实现碳中和。ST针对可持续发展的战略分为两部分，一是通过推出更高能效的芯片和解决方案，间接地来帮助客户减少碳排放；另一方面，针对内部的芯片制造进行升级，直接减少碳排产生。
新加坡工厂是ST全球产量最大的晶圆厂，ST在该工厂投资3.7亿美元，启动了区域集中供冷系统(DCS)项目，通过管道输配冷冻水为生产设备降温，取代数百个耗电的空调系统。该项目落成后，新加坡工厂每年可节省制冷相关用电量20%，向环境减排量多达12万吨碳，相当于其2021年碳排放量的30%。此外，ST大幅提升了摩洛哥库拉封测厂的可再生电能的比例，从2020年的1%提升到了58%。
在节水方面，ST积极采取多种措施，尽可能地减少在法国克罗尔工厂、中国深圳工厂、摩洛哥布斯库拉工厂的用水量，并尽可能地循环利用水。最终在2022年，ST每个单位产量用水量比2016年减少12%。
据曹志平分享，制造基地的能源管理举措是 ST非常重要的目标。2021年ST所有工厂的EHS环境健康安全团队完成了53个能源管理改进项目，总计节电 35 千兆瓦时。所有这些举措都是为了减少碳排放量，ST已经用水和用电量等方面取得了非常积极的成果。
产品的交付并不意味着其ST节能减排责任的结束，而是对其产品新的碳足迹追溯的开始。ST在设计产品时，就将芯片整个生命周期对环境的影响考虑在内。目前，带有负责任产品标志的产品在ST的新产品中占比达到63%，负责任产品的营收贡献率为20%。根据欧盟分类标准，在整个产品生命周期内大幅减少温室气体排放的产品的营收贡献率为37%。
目前，ST在欧洲、亚太地区部署了14个工厂，实现了全球化的制造业布局。曹志平表示，在过去三年新冠疫情期间，虽然有时某些地方会因为疫情而被封锁，但ST仍然可以非常顺利地管理生产和供应链，保证客户的多重货源。在前道晶圆制造和后道封测方面，ST都会坚持技术创新和资产投入，这将会支撑ST在未来几年实现200亿美元的营收目标和2027的碳中和目标。
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