意法半导体的芯片制造布局

过去几年在媒体的科普下，几乎所有人都对半导体有了基本的了解，但你真的懂芯片制造吗？所谓芯片制造，简而言之是指在半导体硅片上制造集成电路，然后再将其切割下来，最终进行独立封装并进行测试的过程。

硅片则是这一切的基础。

据意法半导体执行副总裁、中国区总裁曹志平在早前的一个媒体交流会中透露，一吨沙子能制造出的8寸晶圆数量为5000片。他同时指出，一颗芯片的制造工序经历的流程长达40公里、比足球场还大的晶圆厂洁净室每7秒完成一次换气、晶圆厂洁净室中的空气悬浮颗粒数量仅有医院手术室的千分之一、先进晶体管的尺寸仅为人类头发宽度的万分之一、在最先进芯片上，每平方毫米晶体管数量可达> 1亿、全球芯片的年产量超过一万亿。

在曹志平的介绍中，有关于芯片制造的更多信息分享娓娓道来，我们也从他这里获得了一些以前少被提及的芯片制造数据。例如，通常来说，芯片的总制造周期需要 20~30 周左右的时间（单纯的制造时间）。如果考虑将产品从前端运输到后端工厂的时间，装卸货时间、以及把安排交货所需的所有时间都考虑在内，那么半导体的交货时间通常是 20 周到 35 周，甚至到 40 周不等，具体取决于产品的类型。

“正因为芯片制造周期如此漫长，所以我们需要客户及早地给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。”曹志平对半导体行业观察等媒体表示。“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；也许半导体制造商同样也会受到伤害，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。这就是管理这类业务的复杂性所在。”曹志平接着说。

正因为芯片制造如此重要，市场上在过去几十年就孵化出了专门的Foundry以制造芯片，让Fabless能腾出手来只关注芯片的设计。但因为各个公司都打着自己的算盘，这就是芯片分工浪潮下，依然有不少IDM坚持下来的原因。针对终端市场的多样化，他们也根据产品的特性，做了更多的尝试。这也正是ST正在践行的方式。

如曹志平所说，就半导体产业的定位而言，ST 是一家垂直整合制造商（IDM），内部涵盖了芯片设计、晶圆制造、封装和测试、销售和支持在内的整条制造价值链。换句话说，公司涵盖了无厂模式、半导体代工和后工序如封装测试等。

具体到前道工序方面，曹志平表示，ST的制造主要分布在瑞典、法国、意大利和新加坡四个国家。其中，ST位于北雪平工厂是碳化硅 (SiC) 衬底技术研发和制造卓越中心，是导电和半绝缘 SiC 衬底和外延层的试制生产线。2021 年，设施和设备都升级为最先进的技术，包括一条新的 8寸生产线。

来到法国，ST则在克罗尔、鲁塞和图尔拥有前道工厂。当中，ST克罗尔工厂负责技术研发、产品设计和制造，在8寸和 12寸硅晶圆上开发和制造数字技术 IC，包括微控制器、图像传感器和其他基于差异化 CMOS 技术的先进产品。初次以外，ST在克罗尔的工厂还涵盖了FD-SOI和BICMOS。据透露，该工厂正在以模块化方式扩大12寸产能，支持ST实现2025 年 12寸产能比 2022 年提高一倍的目标。

ST鲁塞工厂是一个集晶圆制造、电测试、技术研发、新品设计和市场营销活动于一体的垂直整合工厂。该厂区包括一个用于制造通用微控制器、安全微控制器、专用产品的 8寸晶圆厂，以及一个电测试中心，承接ST各制造厂和分包商的8寸和 12寸晶圆的电探测。据介绍，该地区工厂的主要技术包括了、嵌入式非易失性存储器、EEPROM、CMOS、BiCMOS、图像传感器和模拟/射频器件。

位于法国图尔的ST工厂则在硅和玻璃衬底上设计和制造各种电子元器件，例如，电路保护二极管、整流器、晶闸管、双向晶闸管和滤波器。该工厂专攻功率技术，正投资建设功率GaN技术开发和制造设施，计划于 2023 年投产。其研发的主要技术主要技术包括台面式玻璃芯片、平面式芯片、射频滤波器和功率氮化镓等。

意大利阿格拉特工厂是ST 的主要前工序工厂之一，也是智能功率和 MEMS 技术研发中心，还是EWS晶圆电探测工厂（并负责EWS晶圆电探测）。除了运营已久的 8寸晶圆厂外，意法半导体还在厂区增建一座先进的12寸晶圆厂，按照计划2023 年上半年完成生产认证。新晶圆厂利用工业 4.0 技术和方法整合高水平自动化和最新的制造设备，ST的这个工厂也提供了包括BCD智能功率技术，嵌入PCM和电隔离MEMS传感器和执行器(ThELMA, PƐTRA, TMOS)在内的技术支持

ST 卡塔尼亚工厂则承担前工序制造、晶圆电探测(EWS)、技术研发、实验和产品设计，制造硅基半导体、碳化硅 和氮化镓 产品，专注汽车、工业、通信电源和智能电源芯片，还生产各种用途的模拟IC和 ASSP器件。从技术上看，该地区提供的技术支持涵括了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、功率晶体管和智能功率(BCD, VIPower)。

此外，ST还在新加坡设置了一个晶圆厂，新加坡工厂是ST最大的前工序制造工厂之一，研制的产品应用广泛。厂区内还拥有ST最大的晶圆电探测(EWS)业务以及封装研发中心。

2020 年ST首创“厂内实验室”在新加坡工厂挂牌成立。新研发业务旨在推进压电 MEMS 技术创新，加快新材料开发。提供双极晶体管，功率MOSFET、BCD和先进BCD、EEPROM, 智能卡、CMOS逻辑和BiCMOS、MEMS和微流控芯片SiC二极管和MOSFET的的支持。

除了前道工厂以外，如图所示，ST还在法国、意大利、摩洛哥、马耳他、马来西亚、中国深圳和菲律宾设置了后道工厂。

据介绍，ST 雷恩工厂是航天局认证的半导体厂商，40 多年来，为客户测试和制造航天级半导体和其他高可靠性器件。ST主要通过雷恩工厂满足航天航空客户对塑料抗辐射产品以及陶瓷和金属密封封装的全部需求。近年来，为了封装航天级组件，该工厂大量投资建

设新洁净室。现在，该工厂已成为世界前沿的航天级器件封测厂，提供的技术支持涵盖了模拟、逻辑、肖特基二极管和整流器、接口、电源管理、双极和 MOSFET 晶体管

在意大利的马尔恰尼斯(Marcianise)，ST设立的后道工厂支持为客户部署安全微控制器。该工厂拥有功能完备的智能卡生产线，提供IC个性化专用软件和服务。提供的主要技术则涵盖了则包括了智能卡、安全软件和个性化服务。

公司位于摩洛哥布斯库拉则是世界前沿的芯片封测工厂，为汽车等产品质量要求较高的行业提供产品。该工厂是ST的工业 4.0升级计划的一部分，采用了许多新制程和技术。例如SO, TSSOP, PSO, PSSO、STPAK、模块和微型模块则是该工厂的亮点。

ST马耳他基尔科普工厂是欧洲最大的后工序工厂，是世界一流的封测厂，制造各种汽车和个人电子半导体产品。ST不断投资翻新和扩建生产设施，将马耳他工厂升级到工业 4.0。提供的主要技术也包括了MEMS传感器、QFP、BGA和LGA。

位于马来西亚麻坡的ST 工厂是一个先进的后工序制造厂，专门研制高复杂度、高可靠性的半导体封装。大部分产能分配给车规芯片，该工厂的汽车产品工程和测试开发处于业界前列。该工厂封装测试的产品包括汽车智能电源、车规MCU、汽车音响、GNSS接收器等。主要技术则包括主要技术也包括QFP–PSSO /PSO、PQFN, BGA、HiQuad、SOIC。

ST 的卡兰巴工厂是一个先进的IC和模块后工序制造厂，负责封装测试各种芯片，包括功率器件、射频、存储器、触屏控制器、微控制器、MEMS 和光学传感器。该厂区在推进新封装技术方面发挥着重要作用，例如，超薄晶圆、多片叠装和多IO封装，以及更高价值的模块解决方案。据介绍，ST该厂提供服务的技术包括了QFN, QFN-MR, BGA, LGA、WLCSP、微模块和光学模块。

在中国的深圳，ST也部署了一个后段工厂。据介绍，ST深圳工厂封装测试各种半导体元器件，包括功率晶体管、先进的 SiC 功率模块、专用 IC、存储器、MCU、标准线性器件、VIPower 器件、晶圆级封装和光学模块。其主要技术包括了STPAK、塑料功率封装、接近传感器封装、WLCSP、SO / TSSOP、SSDIP。

“公司拥有遍布不同国家的前工序和后工序工厂，这提供了独特的优势，特别是在过去三年应对新冠疫情挑战方面，ST仍然可以非常顺利地管理自己的生产和供应链。我们实现了产品的多工厂生产，而不需要依赖某个工厂来为客户提供高水平的服务。”曹志平说。在他看来，正因为拥有了上述的多地化生产布局，ST顺势能为客户提供多重货源，全盘掌控供应链的保障。在极端情况下，ST还可以将生产工作迁移到其他制造基地。这就不会出现因为任何一个制造基地的任何原因而影响生产，从而可以保证整个供应链的正常运转。

对于ST而言，拥有遍布欧亚多地的工厂，是他们产能的保证。但丰富的技术布局则是公司能够走遍全球的底气。

据曹志平介绍，ST丰富技术组合中的大部分都是专有技术，也就是 ST 的独家技术。例如，ST不但拥有包括 BCD 在内的智能功率技术，而且还提供了 STi²GaN 和 VIPower，能够利用专用光学图像传感器制造工艺等。

具体到功率技术而言，ST还提供了功率 MOSFET、 IGBT、碳化硅 （SiC）和氮化镓（GaN）。特殊的 MEMS 技术、模拟和混合信号技术以及FD-SOI 技术，也是ST不得不提的技术亮点。

此外，ST还可以与代工厂合作，提供 FinFET 技术。就闪存技术而言，ST也拥有许多聚焦嵌入式闪存、CMOS 的特殊技术。公司还积累了射频 CMOS 和 BiCMOS 技术，非常适合制造卫星相关的技术产品。就连在封装技术方面，ST也能够非常灵活地提供包括引线框架、层压板、传感器模块、晶圆级等所有技术在内的优选组合。

曹志平指出，在这些技术支持下，公司的工厂也不是单纯的工厂，而是融合了公司领先技术的工厂，这也让这些工厂在生产的同时，还能持续创新。“这些创新不仅仅局限于晶圆技术方面，封装和测试也是我们的额创新方向”，曹志平说。

在推进技术发展和产品布局的同时，ST为了客户的产品供应做了更多的选择，例如，选择晶圆代工和封测代工，就是公司多渠道供应的一个重要决定。

曹志平直言，IDM 模式意味着ST有制造能力和产能，通过晶圆代工厂、封测代工等外包合作伙伴，公司能为客户提供多重货源保障。“通过内部制造保障产能安全，通过外部协作灵活地满足产能需求，从而确保供应可靠性，支持和保护我们的客户。这也让我们实现了全面控制供应链，，能够为主要合作伙伴提供许多产品和解决方案，从另一个维度来讲，这也是一重安全保护。”曹志平表示。

在谈到内部生产和外包的区别时，曹志平强调，内部产能更多的是针对差异化产品的交付；对于一些标准的生产和封装，则充分利用外包的供应商。“目前我们的外包模式就包括了晶圆制造（晶圆代工占比 20%）；封装测试（封测代工占比 35%）；也可以选择合作模式例如与台积电、三星和格芯等合作完成前道工序；和ASE及AMKOR 等合作伙伴共同完成将封装测试等后道工序。”曹志平举例说。

在很多分析人士看来，因为万物互联、智能汽车的到来，半导体到2030年会成为一个万亿美元产业。作为对比，过去一年的半导体产值仅为六千美元左右，这就意味着未来多年的半导体增长率是客观的。在这种需求推动下，ST也把扩产当作了公司未来发展的一个重要方向。

扩充12英寸晶圆厂产能则是公司的第一个目标。

据曹志平介绍，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。这主要是通过位于法国的克罗尔和位于意大利阿格拉特的两个12英寸工厂实现。值得一提的是，ST会把克罗尔制造工艺引进到阿格拉特，加快生产认证。这两个工厂也将保持路线图一致，聚焦于模拟混合信号、BCD和eNVM等技术。为了让两个晶圆厂的设计方案相互兼容，公司还采用了数字孪生技术。

“随着 12 英寸(300 毫米) 晶圆总产能的持续提高，制造工艺的改进和良率提高，单片晶圆的制造成本将变得更具竞争力。”曹志平说。

在推进12英寸晶圆厂扩产的时候，面对电动车等应用带来的SiC和GaN需求，ST也按下了这种宽禁带半导体的扩产按钮。

首先看SiC方面，据介绍，早在2017 年，ST就开始量产碳化硅器件，并取得了长足的进步，公司车规级碳化硅出货量突破一亿。就产能而言，相比2020年，ST碳化硅在 2022 的产能增长了2.5倍以上，并且产能扩张还在继续进行中。ST 计划在 2017 至 2024 年间把SiC产能提高 9 倍。

“我们的目标是到 2024 年实现 40%以上碳化硅衬底的内部供应。为此，ST 制定战略并收购 Norstel 以将其转化为 ST的技术并扩大产能，以在 2024 年之前实现 40% 碳化硅衬底的内部供应。”曹志平说。据介绍，ST正在意大利卡塔尼亚建设一个总价 7.3 亿欧元 (约 8 亿美元) 的衬底晶圆厂。为了在提高内部供应比例的同时又拉低成本，ST准备把生产线升级到 8 英寸(200 毫米)晶圆。目前，卡塔尼亚和新加坡两个工厂是ST生产碳化硅器件的主要基地，位于中国深圳和摩洛哥布斯库拉的这两个工厂则负责碳化硅器件的封装和测试。

“ST位于意大利卡塔尼亚 SiC 衬底晶圆厂目前正在建设中，预计 2023 年投产，可提供单晶的 SIC 晶棒和外延晶片及晶片制造业务。”曹志平补充说。

除了进行碳化硅的投资之外，ST还致力于提高氮化镓的技术能力和产能，以实现公司的营收目标。ST 认为，功率 GaN 是整个功率晶体管市场的一个主要贡献者。而ST 将重心放在了开发周期较长的电源能源、工业和汽车应用领域，会不断加强在这些市场的投入，同时我们也选择性地布局特定的消费和个人电子产品市场。

具体到技术布局方面，ST公司拥有功率转换GaN和射频功率GaN技术，公司也已经和台积电开展了工艺方面的合作，采用台积电业界先进的 GaN 制造工艺来生产产品。同时，ST还收购了法国氮化镓创新企业 EXAGAN ，将其整合到更广泛的 ST 功率 GaN 业务中。公司在法国图尔还拥有8英寸功率GaN晶圆厂。同时，ST的氮化镓外延衬底研发能力和试制生产线也已经准备就绪，为未来GaN应用的持续拓展做好了充分的准备。

据曹志平介绍，ST在2022 年就完成了公司的氮化镓外延晶圆厂的生产认证，将在2023 年开始量产和增产。除了这个8英寸的功率GaN晶圆厂，ST还在意大利卡塔尼亚拥有6英寸射频GaN晶圆厂，该厂在2022 年完成了晶圆厂生产认证。在ST看来，GaN 技术与 SiC 技术互补，能满足客户对功率器件的需求，这也是他们在这两个技术上同步投入的原因。

“多年来，ST 一直拥抱技术，通过投资先进的制造设施，以更好地掌握半导体供应链。我们还使用数据分析和人工智能监测机器状况，优化生产流程，确保生产设备保持高效率。”曹志平说。

在他看来，只有持续的投入，才能让公司的产品最终在市场上脱颖而出，改善客户和潜在客户提出的技术主张，这也正是ST一直所追求的东西。

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