《半导体工厂管理》–世界上最复杂的制造业-《芯苑》

半导体制造业应该是我们见过所有制造业里面最为复杂,最有科技含量的制造业了,不知道我们国家的火箭和卫星制造的要求是不是有这么复杂,但是肯定没有我们这么微细,毕竟那玩意只是拧螺丝而已,O(∩_∩)O哈哈~

半导体制造业和传统的制造业一样,必须要充分利用产能使得单位成本降低,所以必须走量填充产能才能盈利形成规模化效应。然而它和传统制造业不一样的地方在于以下几个方面:

1. 流程复杂制作周期长:一般的IC制造平均的层数在20~30layer (>300步骤),以1.5天/layer计算,一个活着的Wafer从下线到出货需要45天时间,如果前面出了问题,要一个多月才能知道结果。

2. 机器精度高:传统的精密制造都是毫米级,我们已经是微米级纳米级了,要想想我们每根头发丝是80um,而我们的晶体管才0.1um甚至16nm。等效于头发丝的1/800粗度,那是什么概念?只要能闻到味的都是悬浮在空气里的颗粒物,所以不准喷香水、涂脂抹粉等。

3. 成本投入高:这行业不是一般的土豪可以玩的,一个4~5万片产能的8寸厂投资需要10亿美金,建一个12寸厂听说的100多亿美金。一般的机台都是1Million,光刻机更是Billion美金啊。还有Class-1的洁净室,全世界最高等级的洁净度。材料纯度都是电子级别的,99.9999%的纯度(俗称6N等级),只能形容比纯金还纯。

4. 营运成本高:好不容易建起来了,每天的营运成本也将近100万美金啊,所以没事别玩这东西。看过一篇Berkeley的半导体8寸0.35um-line的介绍,每天的营运cost的65%来自设备和厂务的折旧,15%用于维护修缮,10%~15%的材料费用(直接和间接),5~10%的IDL工资,5%的DL工资。(仅供参考,视各家工厂的营运效率而定)

《半导体工厂管理》–世界上最复杂的制造业-《芯苑》

所以从上面的Cost模型可以看出,前三大应该是设备/厂务,机台维护,以及材料费用,所以说机台利用率肯定是第一优先要考虑的,必须要填充满吧,为什么一个FAB前几年都不会赚钱,主要因为设备折旧,必须要等设备折旧完了,那才是真正做一片赚一片的日子,除非你要扩产,那你就进入下一轮折旧,所以只要不扩产你就坐等收钱吧,当然资本家不会同意的。第二就是机台维护,也是为了它的Available time从而提高机台利用率,如果机台down在那里,损失了move,还间接导致下一家的Lost,蝴蝶效应是很明显的。这就是为什么厂长每天那么review咱们了~。第三自然就是材料了,直接材料是晶圆,除非2nd source或者low cost,否则你无法降低用量,那只能从间接材料(水、电、气、化)来下手了,2nd source,延长寿命,减少用量等等,这是惯用伎俩。

在tsmc和UMC这些专业Foundry/代工还没有出来之前,那些半导体公司都是研发、制造、封装、销售一条龙,自产自销!我们称之为IDM厂(Integrated Device Manufacture:整合元件制造商)。但是随着Moore定律发展,制程一路演进,制造投入的费用成指数增长,动辄上亿的投入。所以这些IDM厂商无法靠自有资金和技术资源来维持整个生态链的扩张,我们的Moris Chang董事长看到了这个商机,终于在1987年成立了台积电很精准的定位专注集成电路制造本业,让专业的人做专业的事。所以陆续这些IDM厂商开始分拆他们的业务,比如IBM分拆了,AMD分拆给阿布扎比与新加坡特许合并为Global Foudry了,等等。现在最大的IDM应该就是Intel了,中国还有杭州士兰和无锡华润,知道他们为什么做不大了吧~。所以现在流行称呼Design house叫做Fabless就是来源于他们都把Fab分拆出去了,所以就成了"无晶圆厂"尽心尽力做设计了。还有后来做Design service的,还有做Turn-key的公司,无非都是自己拥有一技之长,承揽别人的外包模块业务,他们不拥有最终芯片产品,只是为客户进行相关设计和芯片生产管理活动,从而可以专注于自己所擅长的领域,弥补短板,提高竞争优势。现在只要不玩FAB,大家进入半导体行业的门槛也就低了,随便几个人投资就可以玩Fabless,你只要出光罩的钱我帮你流片,所以设计公司遍地开花。

一个小插曲,早期那些IDM公司把自己的订单交给别人代工的时候总是小心翼翼,生怕机密或者know-how被别人抄走了,所以代工路也是走的很艰辛,比如三星和苹果的关系就很惟妙惟肖。而这一点鄙公司就做的很好,首先我们主打专注代工本业只做代工,第二我们会为我们的客户保守一切机密,所以理解为啥我们的机密保护做的如此好了吧。第三,我们把我们的工厂打造成客户自己的专属工厂,他们随时可以看到自己的产品跑到哪里了。这样他们没有理由不找咱,对吧?

聊完了工厂,聊点Cost吧,毕竟要想着厂子建好了,如何赚钱啊?决定Cost的两大主要因素就是制造的Yield以及机台的Throughput/WPH,还有两个次要因素就是Human Productivity以及Clean-Room Productivity。下面做详细讲解:

1. Fab Yield: 简单理解自然就是成品出货量除以下线量,中间的差值就是线上报废掉的。公式理解起来很简单,但是做到可不容易。我们的flow如果有300步,如果每一步是95%的成功率,那最后的成功率就是95%的300次方,那你几乎是0 Yield。所以你的保证每一步都是近乎100%的Yield。所以说FAB Yield是一个工厂最重要KPI指标。

2. 机台的WPH:单位时间内的产出,还有机台利用率等等,要尽量压榨每台机器的剩余价值,不能出现down机,或者慢吞吞的。曾经S公司产能利用率达到90%却依然亏钱,就是这个道理,不满产就不赚钱。

3. Human productivity:就是总产出除以总人数,当然前面两项做的足够好了,自然就要做这个了。既要马跑得快,还要少给马儿草~~,当然实际肯定是用IT替代,减少manual操作等等了。

4. Clean-room productivity: 洁净室寸土寸金的,绝对比房价高数倍,恒温恒湿,除了空气没有任何颗粒,比温室还要温室的。所以空间绝对不可以浪费,这个需要IE工程的人来规划的。

上面讲的都是有形的cost,这个比较容易理解,还有一些无形的cost,也做一些讲解吧。

1)制造的性能和技术先进性,这就是为什么鄙公司一直领先跑在业界前面,而且即使成熟的28nm/22nm的份额也能比其他人高,就是因为我们的性能好,使得我们的无形cost低。要知道,半导体行业竞争非常激烈,相同的产品销售价格每年降低25~30%,所以我们必须走在前面,用保持速度和性能来获得价格优势。

2) Time-to-Market:电子产品更新换代快,我们必须先人一步打入市场抢占先机,今年的绞龙810发热导致高通困难重重被MTK抢了不少份额,同时三星也用自家处理器等等。所以这就是我们为什么很care cycle time。这就是我们的无形cost,你想快就得加车马费吧~~。而且很多客户都来抢的时候,需要兼顾每个客户的cycle time,所以这个on-time-delivery也是重要指标了。

好了,这些宏观的东西讲完了,但是如何能把它们联系起来,这才是一门技术,由于我们的加工过程非常复杂,按照一个月产出6万片,其实每天这6万片需要平行移动,也就是说每天线上都要保持6万片在移动,如果平均每片wafer估计要走5~6步,所以每天生产线上会有30万片的过程数据,我们既要监控每一片跑到哪里了是否预期,也要监控这些站点过的是否安全保证Yield和quality?所以必须要有个一强大的计算机网络整理分析这些数据,这就是我们强大管理工具CIM(计算机辅助制造)。

《半导体工厂管理》–世界上最复杂的制造业-《芯苑》

 

半导体厂的目标包括生产、品质、Cost等,所以厂长以及营运长官压力很大啊,所以我们处理日常事务的时候都必须有一颗尊重之心,谨小慎微防微杜渐才能长治久安,所以我们都是以制造部为中心、各部门互动凝聚为执行才能达到总目标,所以说我们的运作系统非常复杂,不可能靠某一个部门或某一个英雄就可以完成的,而需要整个团队互动合作(TeamWork)。

部分分析摘自:

1. Berkeley University《Competitive Semiconductor Manufacturing》-2002

2. 世界先进 《半导体工厂管理经验谈》