加剧全球汽车芯片紧缺,瑞萨火灾原因深究

芯世相 2021-04-09 08:32

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加剧全球车载芯片紧缺
瑞萨火灾原因深究
作者:汤之上隆  编译:小芯


3月30日,日本半导体巨头瑞萨电子透露,关于因火灾停工的那珂工厂出货恢复至火灾前水平的时期,从火灾发生的3月19日算起预计需要3-4个月,到6-7月才能恢复。据称部分车用半导体库存告罄的4月下旬将停止出货,之后1.5-2个月内供应停滞。


汽车缺“芯”停产的范围在不断蔓延,而作为最大的汽车芯片制造商之一的瑞萨电子发生火灾,对于本已脆弱的汽车产业来讲可谓是雪上加霜。


日前,日本半导体行业研究专家汤之上隆对瑞萨火灾一事进行了推演,并猜想了其背后可能的原因:3万人裁员和轻晶圆厂的代价。


作者简介:

汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长,曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作,2000年获得京都大学工学博士学位,之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作,曾撰写《日本“半导体”的失败》《“电机、半导体”溃败的教训》《失去的制造业:日本制造业的败北》等著作。


以下为编译全文:


《加据世界车载半导体紧缺…瑞萨工厂火灾,3万人裁员和轻晶圆厂的代价》


被诅咒的车载半导体


仿佛是上天对这用尾气破坏着环境的汽车产业降下的铁锤,车载半导体的生产接连发生了不幸的事故,给汽车产业带来了恶劣影响。受2020年疫情影响,去年3月至8月汽车芯片需求“蒸发”。结果,在车用半导体销售份额中位居第一的英飞凌(德国),位居第二的恩智浦半导体(荷兰)和第三的瑞萨电子日本)都取消了对台积电的生产委托。


但是台积电接到了世界各地专职设计的半导体设计公司(无晶圆厂)的生产委托,转眼间就把车用半导体取消的订单给补了回来。结果去年秋季之后车用芯片需求复苏,但台积电已没有余力去接车载半导体的生产订单了。


2020年的汽车生产,主要依赖需求“蒸发”时生产的车载半导体过剩库存勉强维持,但在库存用尽的2021年出现了很大的问题。


其次,美国德克萨斯州2月12日突然遭遇寒流,奥斯汀能源公司于2月16日实施计划停电,导致该州的三星电子、infineon、NXP等半导体工厂停产。由于此次停电,上述3家公司合计停止了每月11万5000片12英寸晶圆的生产。不仅是车载半导体,三星电子的逻辑半导体生产也遭受了巨大损失。


此外,瑞萨那珂工厂在2月13日发生的福岛县海上地震中受灾,停电约3小时后停止运转。我觉得这3个小时停电的影响不小。然后,本以为终于恢复了,却在3月19日,瑞萨那珂工厂的300mm线(N3栋)发生了火灾图1),半导体工厂如此严重的火灾是前所未闻的。


另外,该火灾的影响很大,预计瑞萨的损失将达到175-240亿日元,而且要恢复地震和火灾前的出货状况还需要100-120天(是否过于乐观了?)。其结果也有估算,今年2021年4-6月世界汽车生产将减少160万辆(3月31日日本经济新



为避免这种紧急情况,经济产业大臣梶山弘志在3月30日的内阁后新闻发布会上宣布,日本已请求台湾制造商在瑞萨的车载半导体替代生产方面进行合作3月30日路透社)。这家台湾厂商应该是台积电,但由于台湾从去年开始少雨,缺水问题日益严重,台积电的半导体工厂也不容乐观。


如果台积电的半导体工厂关闭,世界各地的电子工业可能会遭受重创,因此对于台积电来说,可能没有余力将资源分配给占出厂额3%的车载半导体等。因此,原本就很紧迫的TSMC,不知道是否会接受日本的请求来生产车载半导体。


瑞萨为什么着火?


从去年到今年,新冠疫情、寒流和地震导致的停电、前所未闻的火灾、少雨导致的缺水,车载半导体的生产接连出现问题。因此,正如文章开头所写的“神之铁锤”一样,人们会想到地球上的上帝在愤怒地说:“不要再制造汽车了。”但是,在上述之中,只有瑞萨火灾是与自然灾害无关的事故,而火灾的原因被报道为“电镀装置过电流引起的起火”,但目前还无法明确这一点。


为何电镀装置的过电流导致起火?


3月21日的《Car Watch》报道了3月21日在网上召开的瑞萨记者招待会。《瑞萨半导体工厂火灾影响1个月后向汽车制造商发货的产品的2/3面向汽车》中,关于火灾的原因记载在以下的Q&A中。


“电镀装置,是否流过过电流,所以没有接通过电流的保护电路?洒水器等是否启动了?


小泽:配备在过电流断路器、设备上。根据消防署的见解,在电流流通时切断并着火并扩散到了使用的树脂中。"


另外,小泽英彦先生是经营着发生火灾的300mm工厂的瑞萨生产制造代表理事社长。小泽与瑞萨电子代表理事兼CEO柴田英利、该公司执行人员常务兼生产本部长野崎雅彦一同出席了记者招待会,并做出了上述回答。


但是,笔者从这个对话中还是无法理解为什么会发生火灾。


因此,在本文中:首先说明电镀装置在怎样的工艺中使用。接着,叙述电镀装置的结构和工作原理。在此基础上,关于为什么电镀装置的过电流导致起火,我想就此进行推测论述。


瑞萨那珂工厂在何处发生火灾?


半导体由设计→前工序→后工序三个阶段制成。与只进行设计的fabless、只进行生产的foundry相比,像瑞萨这样从设计到后期工程全部由自己完成的半导体企业被称为IDM(Integrated Device Manufacturer)



不过,瑞萨将40nm以后的尖端工艺全部委托给台积电生产,即使是40nm以外的老式工艺,也将增产部分委托给台积电生产,所以称为“轻晶圆厂型”。瑞萨那珂工厂的前期工程有200mm (N2栋)和300mm (N3栋)两个工厂,此次火灾发生在300mm的N3栋1楼(图3)



再次回到图2,在前一道工序中,在晶圆上经过500 -1000道工序,同时制造出约1000个芯片的半导体。从该半导体的剖面照片来看,有10层以上的铜(Cu)布线层,越往下布线宽度越小。在最下层,可以看到白色的芝麻粒一样的东西。左侧展示了放大后的电子显微镜照片,这就是晶体管。而且,这次发生火灾的是在制作Cu布线的电镀工序中。


下一节将对Cu布线的制造工艺进行说明。


Cu布线形成方法


直到2000年左右,半导体金属布线的材料都使用铝(Al)。如图4A所示,在形成Al膜后,通过光刻技术形成抗蚀剂图案,通过干法蚀刻直接加工Al,在通过上表面除去抗蚀剂后,用绝缘膜(SiO2,二氧化硅)嵌入形成布线。



但是随着半导体微细化的发展,Al的布线电阻成为了问题,因此在130nm以后,采用了电阻比Al小的Cu(铜)作为布线材料。另外,为了降低布线和布线的电容耦合,采用了比SiO2介电常数低的Low-k膜作为层间绝缘膜。


但是,由于难以通过干蚀刻直接进行Cu加工,因此如图4B所示,在Low-k膜上加工槽,通过镀Cu埋入该槽,通过CMP(Chemical Mechanical Planarization,化学机械平坦化)去除不需要的Cu,即所谓的“镶嵌法”形成布线。



让我们更详细地看一下该镀Cu层附近的工序(图5)。在通过干法蚀刻在Low-k膜上形成沟槽之后,形成Ta或TaN薄膜,这被称为阻挡金属。Cu被Ta或TaN阻挡以防止其扩散,因为Cu在绝缘膜中扩散。



接着,用溅射这种成膜方法薄薄地形成Cu,该Cu薄膜称为种子层。然后,终于转移到问题的电镀工序,该电镀准确称为电解电镀。如图6所示,在硫酸铜和硫酸水溶液中浸泡阴极和阳极两个电极,在该电极间施加直流电压。另外,预先将成膜有Cu种子层的晶片设置在阴极侧。



然后,在水溶液中产生Cu离子,将其吸引到阴极,与Cu种子层的电子结合,形成金属的Cu并析出。结果,如图5所示,槽完全被Cu嵌入。然后,通过用CMP去除上部的Cu,形成基于镶嵌法的Cu布线。火灾是在上述Cu电镀过程中发生的,但笔者却无法理解。


因过电流而起火?


瑞萨的记者招待会上透露,铜的电镀过程中流过过电流,由此起火。在记者招待会上的问答中,小泽社长回答说:“电镀装置上安装了断路器。”作为安全对策,这是理所当然的措施。


一般家庭也有断路器。笔者的公寓安装了50A(安培)断路器。因此,如果使用多个电器产品,合计超过50A,断路器自然会掉落。所以,在使用各种电器产品时,要注意不要超过50A。


话题回到瑞萨,小泽社长就安装有断路器的电镀装置回答说:“根据消防署的见解,电流流动时断路而起火。”笔者无法理解这个回答。这句话的意思是“在电镀的过程中,电闸断了(也就是掉下来),过电流流过,导致起火”吗?但是,如果“断路器断了(掉下来)”,电流就会停止。所谓断路器,是为了抑制过电流的保护电路,一般是这样的吧。


但结果还是“起火”。这难道意味着断路器没有作为保护电路工作吗?也就是说,保护电路已经发生故障了吗?笔者对这种情况似乎无法理解,但“保护电路故障”的可能性很高。


因此,从这里开始写笔者推测,希望大家谅解。


福岛县近海地震的破坏和结构调整的影响


瑞萨那珂工厂在2月13日发生的福岛县近海地震中受灾,约3点停电。在N3栋,估计有数百台规模的制造设备,这些设备同时断电了。笔者推测,这次停电可能是制造设备受损了。比如说,这次起火的电镀装置的保护电路坏了,这样的很常见并不奇怪。


像这样因停电而停止运转的数百台制造装置,将一台一台地启动,但是瑞萨的那珂工厂相关人员是否能够好好应对,还是有疑问的。之所以这么说,是因为2010年日立制作所和三菱电机设立的瑞萨科技和NEC电子合并,员工数达到4.92万人,之后欧姆龙出身的作田久男会长兼CEO在任时,员工数和工厂都减少了一半



在这种魔鬼般的裁员效果的作用下,瑞萨扭亏为盈,但由于以工厂相关人员为中心,员工人数减少了3万多人,所以生产装置的安全管理可能非常薄弱。


另外,自2月13日地震以后,车载半导体在全世界范围内都处于紧张状态,因此瑞萨那珂工厂的工厂开工率一直维持在60%左右,目前正准备满负荷运转。以上的结果,可能是对保护电路有可能坏掉的制造装置,轻视或无视安全检查,用很少的人员匆忙启动。在此过程中,发生了这次前所未闻的火灾。


火灾的真正原因还未查明,但是车载半导体的供给不足和汽车产业的困境今后也将继续。近10年来减少了近三万员工,轻晶圆厂化的代价是不是太大了。


来源:内容由芯世相(ID:xinpianlaosiji)编译自「biz-journal」

作者:汤之上隆


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