眾所周知,，半導(dǎo)體芯片制造流程非常長,，需要用到數(shù)十種半導(dǎo)體設(shè)備,，經(jīng)過數(shù)百道工序才能完成,。其中,，前道制造環(huán)節(jié)所涉及的光刻機(jī)屬于是高價(jià)值的核心設(shè)備,，也是被眾多網(wǎng)友關(guān)注最多的設(shè)備,。
然而,，對于晶圓廠的制造產(chǎn)線來說，光刻機(jī)之類的關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障可能并不是最嚴(yán)重的問題,。畢竟這部分的制造流程中斷,，短時(shí)間并不會影響到其后續(xù)制造流程。比如前面已經(jīng)完成了光刻的晶圓,，可以繼續(xù)進(jìn)入到刻蝕,、清洗、薄膜沉積等后續(xù)制造環(huán)節(jié),。
但是如果晶圓廠的“AMHS系統(tǒng)”發(fā)生故障甚至阻塞,，則可能將使得全產(chǎn)線陷入癱瘓。
AMHS是一個比較“小眾”的行業(yè),，全稱是Automatic Material Handling System,，即“自動物料搬運(yùn)系統(tǒng)”。它不僅承載著晶圓,、硅片,、光罩等生產(chǎn)材料的自動化運(yùn)輸任務(wù)，還通過精準(zhǔn)的物料管理和高效的物流調(diào)度,，保證Fab廠的生產(chǎn)線持續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn),。
△晶圓廠天車運(yùn)作示意圖，與文章所指事故無關(guān)
目前AMHS系統(tǒng)在半導(dǎo)體晶圓制造環(huán)節(jié)應(yīng)用已經(jīng)非常普及。從8英寸晶圓廠開始,，AMHS的AGV（自動導(dǎo)向車）地面方案和“空中走行式無人搬送車”（OHT天車）方案就已經(jīng)逐步導(dǎo)入,，到了12英寸晶圓廠時(shí)代，OHT天車方案已經(jīng)成了標(biāo)配,，成為了AMHS系統(tǒng)中的核心,。隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展，AMHS也開始逐步進(jìn)入了封測領(lǐng)域,。
作為半導(dǎo)體從業(yè)人員,，我者曾進(jìn)入多家Fab廠中深度學(xué)習(xí)參觀，對AMHS系統(tǒng)也有了較深的理解,。目前該領(lǐng)域目前絕大部分市場仍舊被牢牢握在幾家日本廠商手里,，國產(chǎn)替代仍舊處于起步階段，僅有少數(shù)的幾家企業(yè)擁有導(dǎo)入先例,。
一個月前黎巴嫩BB機(jī)爆炸事件,，引發(fā)了公眾對于國外電子設(shè)備安全性的恐慌，讓國產(chǎn)替代再次登上熱搜,。很多朋友也曾問過我AMHS的國產(chǎn)替代是否有大量機(jī)會,，作為真正和這個行業(yè)打過交道的人，我想先說一句：AMHS國產(chǎn)替代,，真的沒那么簡單,。這個行業(yè)，太吃經(jīng)驗(yàn)了,！
為什么說AMHS國產(chǎn)替代難
筆者曾參觀某封測廠,，了解到其使用的某國產(chǎn)天車廠商提供的天車的4根皮帶全部斷裂。據(jù)內(nèi)部人員闡述,，該廠商還曾發(fā)生過天車著火的重大事故,。除此以外，業(yè)內(nèi)也曾流傳有其他國產(chǎn)天車廠商發(fā)生天車冒煙事件,。我們一直鼓勵國產(chǎn)替代多加嘗試,，突破“卡脖子”、突破海外壟斷的局面,，但我還是不禁有所疑問,，國產(chǎn)替代真的只能做到“簡單替代”嗎？
△事故現(xiàn)場圖,。某封測廠內(nèi),，某國產(chǎn)天車四根皮帶斷裂。（出于隱私考慮,，故對圖片進(jìn)行了模糊化處理）
要知道,，晶圓制造是一個高度復(fù)雜且極度精細(xì)的過程,，包含了從晶圓切片、清洗,、光刻,、蝕刻、沉積,、金屬化到封裝測試的多個關(guān)鍵步驟,。在這一過程中，AMHS負(fù)責(zé)將各種生產(chǎn)材料從一個工序精準(zhǔn)運(yùn)輸?shù)较乱粋€工序,。據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)，每一個生產(chǎn)周期中,，晶圓要經(jīng)過數(shù)百次的移動,，而這些移動幾乎完全依賴AMHS完成。如果AMHS出現(xiàn)故障,，晶圓無法被及時(shí)運(yùn)輸?shù)较乱还ば?，整個生產(chǎn)線將停滯。
如果晶圓處于不穩(wěn)定環(huán)境下的時(shí)間越長,，其良品率就會越低,，甚至?xí)?dǎo)致整批晶圓報(bào)廢，給Fab廠帶來不可挽回的損失,。假如這次天車履帶斷裂發(fā)生在蝕刻或沉積等關(guān)鍵工序中,，如果晶圓未能按時(shí)被轉(zhuǎn)移，表面的微結(jié)構(gòu)可能受到氧化,、污染等影響,，直接影響芯片性能。因此,，AMHS的穩(wěn)定運(yùn)行不僅關(guān)乎生產(chǎn)效率,，還直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
研究機(jī)構(gòu)VLSI的數(shù)據(jù)表示,，在半導(dǎo)體制造的各個階段,，AMHS系統(tǒng)的故障每次都可能引發(fā)價(jià)值百萬美元的損失，而生產(chǎn)中斷帶來的間接損失更是難以估量,。尤其是在目前Fab廠追求高稼動率的背景下,，哪怕是幾分鐘的AMHS系統(tǒng)中斷，都可能導(dǎo)致晶圓在敏感環(huán)境下的時(shí)間超標(biāo),，最終帶來的是整個生產(chǎn)計(jì)劃的推翻與大量的重新調(diào)度,。
上述國產(chǎn)天車履帶斷裂問題便是一個典型的例子，履帶損壞直接導(dǎo)致Fab廠的天車無法正常運(yùn)行,，生產(chǎn)線被迫停產(chǎn)數(shù)天,，帶來的不僅是時(shí)間的浪費(fèi),，生產(chǎn)效率的大幅降低，還使得客戶對產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的信心受挫,。
從正常的生產(chǎn)節(jié)奏來看,，晶圓制造的每個流程都有其嚴(yán)格的時(shí)間要求，AMHS的穩(wěn)定性決定了這些流程能否有序銜接,。比如光刻之后的晶圓必須在特定時(shí)間內(nèi)完成蝕刻,，延誤會導(dǎo)致晶圓表面的光刻膠失效。而在封裝測試階段,，若AMHS故障,，測試結(jié)果延遲反饋，出貨時(shí)間將大幅推遲,。這種生產(chǎn)中斷不僅會影響單批次的生產(chǎn),，還可能使得整個Fab廠的生產(chǎn)計(jì)劃被迫重新調(diào)整，進(jìn)而影響到整條供應(yīng)鏈的正常運(yùn)轉(zhuǎn),。
經(jīng)驗(yàn)至上的AMHS行業(yè)
AMHS的復(fù)雜性往往不局限于機(jī)械和電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,，反而是實(shí)際應(yīng)用與導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)，尤其在與Fab廠生產(chǎn)工藝的深度融合能力上,，對于生產(chǎn)效率影響更多,。也就是說，AMHS廠商不僅需要懂得如何設(shè)計(jì)一套自動化系統(tǒng),，更重要的是,，如何讓這套系統(tǒng)在極端復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。
如今的AMHS設(shè)計(jì)中已經(jīng)引入了大量仿真技術(shù),，但這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到EDA工具在芯片設(shè)計(jì)中所起到的仿真模擬作用,。宏觀視角看，AMHS涉及整個天車的運(yùn)行邏輯,、軌道設(shè)計(jì)以及物料調(diào)度,。而在微觀層面，從天車的電纜布線,、分立器件的排布到電機(jī)和傳感器的選型,，任何一個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)缺陷都可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行。
△AMHS流程模擬圖
相信這次國產(chǎn)天車履帶斷裂事件能為AMHS國產(chǎn)替代提供重要教訓(xùn),，因?yàn)檫@一問題并非技術(shù)層面的創(chuàng)新不足,，而是經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致設(shè)計(jì)中的瑕疵沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決。沒有足夠?qū)嶋H運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的廠商,，即使擁有最先進(jìn)的技術(shù),，在遇到復(fù)雜且高強(qiáng)度的生產(chǎn)環(huán)境時(shí)也可能出現(xiàn)各種意想不到的問題，而這些問題往往會在實(shí)際生產(chǎn)中以更大的代價(jià)暴露出來,。
國產(chǎn)替代還要走多久,？
近年來,，國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)大力推動AMHS的國產(chǎn)替代，力爭減少對外部供應(yīng)鏈的依賴,。然而,，國產(chǎn)替代并不是簡單的技術(shù)復(fù)制和模仿，它是一個長期的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)沉淀的過程,。雖然國內(nèi)一些廠商在技術(shù)研發(fā)上取得了顯著進(jìn)展,，但與日本村田機(jī)械和日本大福等國際領(lǐng)先企業(yè)相比，仍存在較明顯的經(jīng)驗(yàn)差距,。
第三方機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示,，目前在半導(dǎo)體領(lǐng)域，全球AMHS市場規(guī)模在20億美金左右,，主要被日本村田機(jī)械和日本大福所壟斷,，市占率達(dá)95%以上。
根據(jù)IC Insight報(bào)告分析,，全球頂尖的AMHS供應(yīng)商在Fab廠中已積累了數(shù)十年的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，不僅對各類復(fù)雜生產(chǎn)流程了如指掌,，還能迅速應(yīng)對生產(chǎn)中出現(xiàn)的突發(fā)情況,。這種經(jīng)驗(yàn)是國內(nèi)很多新興企業(yè)所缺乏的。
因此,，在推動國產(chǎn)替代的過程中,，我們不能一味追求低成本或短期效益，必須優(yōu)先選擇那些在國內(nèi)外擁有大量經(jīng)驗(yàn)的企業(yè),，確保國產(chǎn)AMHS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性,。
總而言之，AMHS國產(chǎn)替代的道路還需腳踏實(shí)地推進(jìn),，經(jīng)驗(yàn)的積累遠(yuǎn)比技術(shù)突破更加重要,。也只有那些擁有深厚經(jīng)驗(yàn)、能與國際標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)的企業(yè),，才能在這場國產(chǎn)替代的浪潮中立足,，真正引領(lǐng)行業(yè)前進(jìn)。
