15 expertos de la industria sobre implacables problemas de semiconductores y soluciones

Por Lisa Eitel | 16 de marzo de 2023

Los productos de semiconductores se vieron más afectados que ningún otro por los problemas de la cadena de suministro inducidos por COVID que se sintieron en todo el mundo. Las tensiones políticas internacionales sólo han prolongado y exacerbado el problema.

Por Lisa Eitel | Editor ejecutivo

Todos los dispositivos, vehículos, dispositivos inteligentes y electrodomésticos modernos están repletos de semiconductores en abundancia, que ofrecen esa función singular de potencia de procesamiento que es la característica definitoria de los productos electrónicos avanzados más valorados en la actualidad. El problema que COVID pone al descubierto es cómo la naturaleza cosmopolita pero no diversificada de la industria de los semiconductores la hace actualmente vulnerable a problemas dispares en todo el mundo.

ABB Robotics trabajó con Easy Field Corporation (EFC) para diseñar un desempaquetador de semiconductores que emplea robots IRB 1200 de sala limpia para conectar estaciones e IRB 4600 para aumentar la capacidad. Un escáner de código de barras confirma la información de la etiqueta; luego, un robot IRB 4600 transfiere una caja de envío de apertura frontal (FOSB) a una estación para el llenado de nitrógeno.

En muchos casos, un pequeño puñado de empresas ejecuta el procesamiento de chips en Europa; construcción de máquinas de procesamiento de chips en California y Japón; pruebas de chips en el sudeste asiático; y montaje en el producto final (cuando corresponda) en China. De mayor preocupación ahora es cómo más de la mitad de todos los semiconductores y más del 90% de todos los semiconductores avanzados se fabrican en la pequeña nación insular de Taiwán. Las plantas de fabricación (fábricas o fundiciones) allí, incluida Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSM), suministran más de la mitad de todos los semiconductores del mundo y casi todos los chips de semiconductores avanzados (con características extremadamente miniaturizadas). Sin embargo, la posibilidad inminente de que China reclame a Taiwán como provincia podría amenazar a esta industria.

Un ABB IRB 1200 utiliza un cortador ultrasónico (que no genera polvo) para cortar la bolsa de aluminio que contiene el FOSB. Luego, el robot de sala limpia pasa la caja que se está procesando a otra estación IRB 1200. Debido a que un brazo robótico pasa los desechos de fabricación de semiconductores a una estación centralizada, la carga y descarga es más rápida. Imagen: ABB

El aumento de las tensiones incluye las sanciones de la era Trump que restringen al gigante chino de telecomunicaciones y electrónica Huawei de emplear software o tecnología de EE. UU. y las sanciones de la era Biden, así como la Ley de creación de incentivos útiles para producir semiconductores (CHIPS) y ciencia de 2022. Este último designa $280 mil millones para gastos coordinados durante la próxima década en EE. UU., incluida la I+D y comercialización de semiconductores ($200 mil millones); manufactura y desarrollo de la fuerza laboral ($52.7B); y créditos fiscales para la producción de chips ($24 mil millones). La ley es similar a la Ley CHIPS adoptada oficialmente por el Consejo Europeo de la Unión Europea en diciembre de 2022. Siga leyendo para conocer las opiniones de los panelistas de Design World sobre estas iniciativas.

Justin Lackey | Jefe de producto: sistemas • Bosch RexrothKelly Walden | Vicepresidente de fabricación • Bishop-Wisecarver Corp.Jonathan Schroeder | Vicepresidente ejecutivo • PBC LinearPamela Kan | Presidente y propietario • Bishop-Wisecarver Corp.Richard Johannes | Director de ingeniería e innovación • LEMO USASteven Lassen | Gerente de productos y aplicaciones • LEMO USATom Schroeder | Vicepresidente ejecutivo • PBC LinearAndy Zaske | Vicepresidente de ventas y marketing • TolomaticBoaz Eidelberg | CTO • SAAR Inc.Nathan Andaya| Director — Unidad estratégica de negocios Techline • LINAK USCamilo Orjuela | Gerente de segmento industrial: semiconductores y solar • Bosch Rexroth Corp.Chris Gumas | Director de marketing • Ruland ManufacturingMike Beasley | Producción de semiconductores en EE. UU. • maxonAndrew Jung | Director de ingeniería • Bishop-WisecarverChris Gottlieb | Director — Accionamientos y controles • Kollmorgen

Lackey: Si bien el mercado de semiconductores comienza sin cambios para 2023, proyectamos un aumento significativo en los próximos meses y de cara a 2024, especialmente porque los incentivos gubernamentales han reforzado las previsiones de demanda de EE. UU. Dicho esto, todavía mantenemos una presencia en la región de Asia Pacífico como proveedor global de productos de herramientas de semiconductores.

Walden: Apoyo la mayoría de las iniciativas de nuestro gobierno que fomentan la inversión en manufactura y al mismo tiempo le dan a EE. UU. una ventaja estratégica y defensiva en la economía global.

Orjuela: La creciente complejidad de los diseños de semiconductores, junto con el rápido aumento de la demanda de semiconductores de todos los segmentos del mercado, está desafiando significativamente a los operadores de fábricas y constructores de herramientas para crear una producción más avanzada y mantener los costos bajo control. Con los costos disparados (se estima que la construcción de una planta de fabricación de semiconductores cuesta entre $ 15 mil millones y $ 20 mil millones), los fabricantes de chips enfrentan un dilema: ¿Deberían comprar más herramientas y expandir las plantas o encontrar formas de mejorar el rendimiento utilizando tecnologías de automatización más adaptables y eficientes?

Eidelberg: La mayoría de las fábricas operan en Taiwán, Japón, China, EE. UU. y Alemania y han estado en el negocio durante décadas. El desafío es que los centros de fabricación cuestan miles de millones de dólares para construir y operar, y requieren empleados altamente calificados para operar. Además, los procesos clave de fabricación de semiconductores (incluida la litografía) emplean máquinas de extrema precisión que necesitan protección contra las perturbaciones debidas a la actividad sísmica, el ruido de los aeropuertos, el paso de trenes, el tráfico de las autopistas y los equipos de manejo local.

Para competir con las instalaciones de fabricación existentes en el extranjero, creo que los fondos estadounidenses deberían patrocinar universidades y fabricantes de equipos de semiconductores preparados para el desarrollo de productos innovadores utilizando tecnología AI/ML. En última instancia, esto permitiría que los procesos de fabricación tomen decisiones autónomas en tiempo real en respuesta a entornos de fabricación inciertos. IoT, 5G, la nube y posiblemente los sistemas de criptomonedas podrían complementar tales operaciones autónomas para mejorar el tiempo de comercialización, la confiabilidad, la calidad, la productividad y el costo.

La nueva tecnología de patrones Centura Sculpta de Applied Materials permite a los fabricantes de chips crear transistores de alto rendimiento e interconectar el cableado con un único patrón manipulable de litografía ultravioleta extrema (EUV). En resumen, la tecnología tiene como objetivo lograr los excelentes resultados de doble patrón pero a un menor costo, complejidad e impacto ambiental. Este es solo un ejemplo de los desarrollos recientes en la fabricación de semiconductores. Imagen: Materiales Aplicados

Gumas: Los productos de Ruland son utilizados por la mayoría de los fabricantes de equipos de semiconductores más grandes del mundo. El diseño de nuevos equipos para empresas estadounidenses y europeas se realiza principalmente en esos mercados y la producción final generalmente se lleva a cabo en China. Si parte de la fabricación se traslada a los EE. UU., no hay una ventaja directa para nosotros. El equipo que pronto se fabricará en los EE. UU. ya está utilizando componentes de alta gama de fabricantes como Ruland.

Dicho esto, como fabricante nacional, nos complace ver que EE. UU. invierte en cualquier parte del sector manufacturero. Es probable que estimule el crecimiento en los diversos oficios necesarios para respaldar la industria que tanto la industria como el gobierno han subfinanciado durante los últimos 30 años.

T. Schroeder: El gobierno ha dado un paso positivo al invertir en la fabricación y el desarrollo de semiconductores nacionales. Miles de millones de dólares inundarán el mercado estadounidense para construir y equipar estas fábricas. Una advertencia es que pasarán años antes de que estas fábricas produzcan en volumen. Además, la imposición simultánea de límites de exportación de semiconductores a China por parte de la administración Biden ha dejado una oferta para la cual el mercado de semiconductores de EE. UU. no tiene demanda para reemplazar.

Kan: Si bien estoy feliz de ver este desarrollo, todavía siento que es un poco miope. La Ley de CHIPS y Ciencia es un buen primer paso, pero el gobierno debería haber aprendido de la experiencia de COVID que muchas áreas críticas de la cadena de suministro ya no son viables en los EE. UU. Se debe adoptar un enfoque más holístico para aumentar el crecimiento y la innovación. del mercado industrial estadounidense.

Andaya: Reubicar la fabricación de semiconductores en EE. UU. reducirá los riesgos asociados con tener un socio de fabricación en China. Las mayores advertencias son las ramificaciones con respecto al precio.

Gottlieb: Kollmorgen utiliza semiconductores y vende en el mercado de control de movimiento servo de semiconductores. La calidad, la facilidad de programación y la potencia optimizada, así como la salida de movimiento, son claves en este mercado. La diversificación en ubicaciones físicas para la fabricación de semiconductores es beneficiosa para toda la industria de control de movimiento para ayudar a mejorar la consistencia del suministro de semiconductores industriales utilizados en nuestros productos.

Promulgado como ley en el tercer trimestre de 2022, CHIPS ya ha impulsado iniciativas de investigación y fabricación de semiconductores. Si todo va bien, se espera que dos fábricas de TSM de Arizona comiencen la producción de chips de 4 nm el próximo año (incluso para Apple) con la producción avanzada de chips de 3 nm en dos años. Como se mencionó, los procesos son máximamente complejos. Los planos de chips diseñados en software de propiedad frecuente pueden provenir del otro lado del mundo para ejecutarse en obleas de silicio especializadas que utilizan gases de ingeniería.

Kan: En el proceso de fabricación de chips, nuestros rodamientos lineales especializados se utilizan para transportar productos a áreas de alta temperatura.

T. Schroeder: Proporcionamos barras brillantes rectificadas con precisión y rieles de soporte para movimiento lineal en equipos de fabricación de obleas de silicio.

Zaske: Apoyamos totalmente la incorporación de la fabricación de semiconductores. Los productos Tolomatic se utilizan en el proceso de crecimiento de obleas, donde la confiabilidad, la estabilidad y la precisión pueden marcar una diferencia significativa en los rendimientos y la calidad. Nuestra ubicación de fabricación en Minnesota permite plazos de entrega rápidos, modificaciones de productos para aplicaciones específicas y soporte de acceso rápido para los ingenieros de diseño de América del Norte.

Lackey: La fabricación de los componentes que forman parte de sistemas y subensamblajes más grandes nos ha ayudado a aumentar nuestra presencia en la fabricación de herramientas para semiconductores. Actualmente suministramos sistemas lineales de rieles de bolas y sistemas de transmisión de husillos de bolas para varios procesos de fabricación de semiconductores. Estos incluyen sistemas de elevación y fabricación de obleas, sistemas de transferencia de herramientas de obleas, bancos húmedos, equipos de deposición de materiales y maquinaria de proceso químico y grabado. Nuestras tecnologías de accionamiento y guiado lineal también se incluyen en productos de catálogo estándar y módulos lineales.

El tipo de módulos lineales que suministramos para herramientas de semiconductores son principalmente módulos accionados por husillo de bolas, como nuestros módulos de precisión PSK con guía lineal integrada y módulos compactos (CKK) con guía de riel de bolas doble. Algunos proyectos de menor volumen emplean nuestros módulos compactos de transmisión por correa CKR con guía de doble riel. Para estos diseños, la compacidad y la precisión no son tan importantes para la aplicación.

Más allá de nuestros productos de catálogo estándar, nos asociamos con ingenieros de diseño para proporcionarles subensamblajes personalizados diseñados según las especificaciones. Estos integran nuestros sistemas de rieles de bolas estándar, transmisiones de husillos de bolas y (en nuevos diseños de herramientas) nuestros motores rotativos y lineales.

Imagen: Dreamstime • Kittipong Jirasukhanont

Walden: Los productos de Bishop-Wisecarver se encuentran en una amplia gama de equipos de fabricación de semiconductores y fabricación de obleas gracias al buen funcionamiento y la alta calidad de nuestros productos.

Jung: Nuestros componentes son adecuados para abordar las crecientes demandas de la industria de los semiconductores, donde se requieren entornos limpios. El funcionamiento continuo de los equipos, incluso para la fabricación de obleas, es fundamental. Esto se debe a que la falla durante cualquier proceso de fabricación de semiconductores puede generar pérdidas costosas.

Los equipos de movimiento de extrema precisión cortan, graban y depositan detalles de semiconductores en obleas de silicio y luego transportan los chips terminados hacia adelante.

Orjuela: Con la complejidad de los procesos de chips de hoy en día, el transporte de obleas debe controlarse rigurosamente para que sea lo más estable y libre de vibraciones posible. De lo contrario, la vibración puede generar partículas que pueden contaminar la oblea o correr el riesgo de causar fallas diminutas en la forma de la oblea. Al mismo tiempo, si el transporte de obleas es demasiado lento, la productividad se ve afectada y los costos aumentan. Hemos desarrollado una gran experiencia en la resolución de los desafíos de control de movimiento para muchas aplicaciones de manejo de obleas de front-end. Nuestra cartera de tecnología cruzada combina controladores abiertos basados ​​en aplicaciones, servoaccionamientos compactos desarrollados específicamente para aplicaciones de herramientas de semiconductores y sistemas de tecnología lineal diseñados para proporcionar un movimiento preciso sin vibraciones.

Con esta cartera, creamos ensamblajes mecatrónicos personalizados que incorporan tecnologías para abordar los exigentes requisitos de control de movimiento, eficiencia y rendimiento de la fabricación de semiconductores. Estos ensamblajes prediseñados y probados ayudan a los fabricantes de herramientas a completar y entregar sistemas a los fabricantes de chips con mayor rapidez, y pueden ayudar a los operadores de fábricas a optimizar los procesos y lograr un movimiento fluido y preciso y un posicionamiento a nanoescala.

Bosch Rexroth aborda los desafíos de control de movimiento para muchas aplicaciones de manejo de obleas de front-end.

Johannes: LEMO tiene varios productos de interconexión utilizados en redes, control y sistemas de video necesarios para equipos de fabricación de semiconductores. Estos productos proporcionan conexiones selladas herméticamente para unir diferentes segmentos del equipo mientras mantienen el aislamiento ambiental esencial. Las aplicaciones de conexión incluyen deposición de vapor, implantación de iones, grabado y pulido químico-mecánico (CMP).

La configuración híbrida de LEMO integra elementos de fibra monomodo, alto voltaje y bajo voltaje dentro de la misma carcasa resistente.

Lassen: Muchos sensores y conectores en equipos de fabricación de semiconductores funcionan en un entorno de sala limpia. En algunos casos, los conectores de estos componentes deben ensamblarse al cable dentro de la sala limpia... y eso hace que la soldadura sea un desafío. Para evitar este problema, el uso de contactos de crimpado elimina los humos de soldadura de la contaminación del aire.

En aplicaciones de semiconductores, las mediciones de potencia y temperatura del calentador también se pueden transmitir a través de nuestros conectores resistentes y compactos. Los conectores son fáciles de conectar y desconectar rápidamente. Además, pueden acomodar contactos de termopar tipo K o J, junto con señal o alimentación o incluso fibra óptica dentro de la misma carcasa de conector resistente y compacta.

Desafortunadamente, en algunos entornos de alto vacío de fabricación de semiconductores, puede ocurrir una condición llamada soldadura en frío. Esto sucede cuando las mitades acopladas de un conjunto de conectores hechos del mismo material metálico se exponen al vacío y (con el tiempo) las dos mitades se sueldan juntas donde se tocan los componentes internos. La soldadura en frío puede dificultar o imposibilitar el desacoplamiento. Para solucionar este problema, LEMO ofrece conectores con mitades de diferentes metales.

Beasley: Ofrecemos soluciones rentables para las aplicaciones de control de movimiento más exigentes en el mercado de semiconductores. maxon colabora con líderes de la industria y aprovecha el conocimiento del movimiento y las aplicaciones para proporcionar sistemas precisos que emplean servoaccionamientos de CC sin escobillas rotacionales y lineales compactos, así como controles. En el corazón de la producción de semiconductores se encuentra la costosa y delicada oblea. La oblea se mueve rápidamente a través de múltiples procesos automatizados, que incluyen levantamiento, posicionamiento, sujeción, grabado, pulido e inspección desde la materia prima hasta el producto final del chip de circuito, para obtener el máximo rendimiento y precisión dentro de restricciones de tamaño estrictas.

Lea otros artículos de la serie Design World Trends en designworldonline.com/trends.

El ASML TWINSCAN NXE:3400B admite litografía ultravioleta extrema para impartir características de 7 y 5 nm en productos semiconductores con alto rendimiento y resolución para complementar la tecnología de inmersión en fluoruro de argón (ArFi) de ASML. Imagen: ASML