sábado, 26 de junio de 2021

Las Guerras COB (I)

Queridos lectores:

El maestro Beamspot me envió hace ya unas cuantas semanas una serie de ensayos sobre el problema de la escasez de chips y todos los factores que en ella interactúan. Un fenómeno complejo fruto del mundo complejo que hemos creado. 

En esta primera entrada, Beamspot hace un glosario de los términos y nos pone en situación con respecto al complejo mundo de la fabricación de semiconductores, identificando los principales (y pocos) actores. Espero que lo encuentren interesante y los disfruten como yo lo he hecho.

Les dejo con Beamspot.

Salu2.

AMT

 

Las Guerras COB. 1ª parte.

El mundo del revés.

 

Oblea de silicio conteniendo muchos circuitos integrados, probablemente de 300mm de diámetro o algo más.

 

Prólogo.

De un tiempo a esta parte, se está hablando cada vez más de la escasez de semiconductores, cómo esta afecta al sector de la automoción: que si el minado de bitcoins, que si las tarjetas gráficas, el just-in-time, la guerra comercial, el exceso de demanda, etc.


En realidad, el mundo de los semiconductores es muy complejo y variado, y aunque todos estos comentarios y elucubraciones son ciertos, están muy, pero que muy lejos de ser la única raíz real del problema, pues este tiene muchas variables, y no hay ninguna que destaque sobremanera sobre el resto, a pesar de que la falta de semiconductores para la automoción sea muy visible.


Esa complejidad, en realidad, esconde muchas más variables y ramificaciones, medias verdades, excusas, problemáticas publicitadas muy diferentes de las reales en cuanto a su peso relativo por muy reales que sean, etc.


También hay unos cambios de rumbo muy significativos que no se tienen en cuenta, y que están detrás de buena parte de la situación. Estamos en un momento de disrupción del statu quo y de la manera de hacer las cosas en muchos sectores, y ese punto de inflexión, propiciado en buena parte por el Covid, mejor dicho ‘catalizado’ por la pandemia, está precipitando muchas cosas.


Explicar con un cierto nivel de detalle es complicado, especialmente para aquellos que no saben nada del tema, y más aún si no se pretende ahondar más allá de artículos sencillos.


Dado que este tema me afecta personalmente en tanto en cuanto trabajo en el sector de la electrónica, y, en el momento de empezar esta serie, de la electrónica de la automoción (sector que abandoné a mediados de abril para volver a la I+D+i en electrónica en otros sectores) pues me permite tener un ‘asiento de primera fila’ en todo este proceso de cambio.


Es, pues, desde este punto de vista privilegiado, en el sector que me da de comer (me refiero a la electrónica), que incluso a nivel personal me interesa profundizar en el tema. Y compartir mis reflexiones puede ser interesante para más de uno, así que os invito a un ‘tour’ probablemente más complejo y profundo del que muchos se esperan.


La idea de esta serie, indefinida en cuanto a su longitud en este primer artículo, es la de explorar las causas y consecuencias del cambio tectónico que estamos viviendo en el mundo de la tecnología, especialmente la electrónica.




Pongámoslo de otra manera: vamos a empezar explicando ‘cómo se mueven las piezas’, para luego ir entrando ya más en lo que es propiamente el ‘juego’ en sí mismo.


En esta entrada de hoy, obviamente por ser la primera, se hará un ‘breve’ estudio de lo que es el sector de los semiconductores y componentes electrónicos en particular, para explicar las complejidades del sector.


Es la pieza clave para entender el resto, pero, ni de lejos, la única. También la más extraña y desconocida, probablemente, y por tanto la más extensa.


Glosario.


Es interesante, y quizás más sencillo, empezar a explicar este complejo entramado por lo que muchas veces está al final, el glosario. Compendio de términos, palabras, jerga, siglas y demás vocabulario que pulula abundantemente a sus anchas en este sector.


Tomémoslo como una presentación de los ‘actores’ principales de este capítulo.


Semiconductores, dopado, P/N. En electrónica, los componentes más interesantes suelen estar en la categoría de Semiconductores. Un semiconductor es un elemento o material compuesto que no es ni chicha ni limoná, es decir, ni es conductor eléctrico (como el cobre) ni aislante (como la madera) sino todo lo contrario

.


 


Sus propiedades eléctricas suelen cambiar con la temperatura y otros parámetros, cosa que, en ciertas circunstancias poco habituales, puede llegar a ser de interés. Sin embargo, para la electrónica general, y el tema que nos ocupa en particular, no es el caso.


Por tanto, para usarlo en electrónica, no interesan como tal, es decir, como semiconductor puro (también llamado intrínseco). Así que se le suelen meter ‘impurezas’ de forma controlada, en lo que se llama dopado, convirtiéndolo así en un semiconductor extrínseco que tiene propiedades más parecidas a las de un conductor eléctrico ‘malo’.


Sin embargo, tampoco como tales, son elementos interesantes. Y hablo en plural porque hay dos tipos de semiconductor dopado: el P (por tener ‘exceso’ de ‘cargas positivas’ o ‘huecos’) y el N (por tener ‘exceso’ de ‘cargas negativas’ o electrones).


No, realmente la ‘magia’ de los semiconductores aparece cuando juntas diferentes tipos de ellos, por ejemplo, uno tipo P y otro tipo N. Pero también cuando juntas uno de ellos con otros elementos como ciertos conductores.


El semiconductor más habitual es el silicio (Si), pero el germanio (Ge) y el compuesto de arseniuro de galio (GaAs) también se usan (este último, en aplicaciones de RF y potencia).


BJT, MOSFET, Diodos, IGBT.

Cuando se habla de la unión de diferentes tipos de semiconductores, y según sean estas uniones, empezamos a hablar de componentes electrónicos (semiconductores, llamados activos en según que casos). Éstos son los ladrillos básicos que se utilizan en la electrónica junto a otros componentes no semiconductores como las resistencias, condensadores y bobinas.


El elemento más sencillo es el diodo, formado por una unión [de semiconductores ] P y N (aunque hay variantes). También es la base de los paneles fotovoltaicos.


Luego, el siguiente en ‘edad’, primero en fama, merecedor de un premio Nóbel, padre de la electrónica moderna, pilar fundamental de la misma, solución en búsqueda de problema, viene el Transistor Bi-Unión o Bipolar, BJT en sus siglas anglosajonas. Tiene dos uniones, y tres terminales. Hay de dos tipos: PNP y NPN.


Sin embargo, el más fabricado hoy en día, el auténtico caballo de batalla de la electrónica es la familia de transistores llamados MOSFET, de Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, o transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor. De nuevo, tres terminales.


El MOSFET es el pilar sobre el que se basa ‘de facto’ toda la tecnología moderna, el ‘ladrillo’ con el que se construyen la mayoría de circuitos integrados y demás parafernalia.


 

Hay un miembro particular de la familia MOSFET que ha sido la última gran innovación en este sector, el FinFet, que tiene una geometría que parece una aleta (fin en inglés). Geometría que, aunque lleva poco en el mercado, ya se halla en sus límites, así que para los nodos más pequeños (<14nm, especialmente en los nuevos de 5, 3 y 2nm) se está desarrollando el GAAFet (Gate All Around Fet). Nada de eso está todavía en producción.


El último en llegar, es el IGBT, que es el ‘burro de carga’ de la electrónica de potencia, el ‘musculo’ que mueve los motores de los vehículos eléctricos, y los cargadores, etc. Tres terminales de nuevo.


Circuitos integrados, componentes discretos. Todos los elementos comentados en el apartado anterior, tomados así, ‘de uno en uno’, se consideran componentes discretos. Pero la gracia es poder utilizar unos cuantos juntos para hacer un circuito.


Es decir, la idea interesante es integrar varios componentes juntos formando un circuito específico, lo que constituye un circuito integrado. Cuanto más pequeños, mejor.


En estas lides, el rey indiscutible es el MOSFET, y cuando hablamos de integración, podemos hablar de escalas de integración según el número de componentes (mayormente MOSFETs) que contenga el circuito.


Para hacerse una idea, una memoria de 128GB de las que se pueden encontrar en un teléfono móvil, disco duro SSD, PenDrives de gran capacidad, tarjetas SD y similares, contiene más de 1.000.000 millones de mosfets.


Si, un billón (europeo) de componentes en un espacio del tamaño de una uña (una MicroSD por ejemplo).


Wafers, 180/200/300/450 mm. Pero ¿cómo se meten tantos componentes juntitos?


Bueno, para empezar, se toma una ‘base’ sobre la que se hace un proceso complejo, muy complejo, probablemente de lo más complejo que hay hoy en día. Ese proceso consta de varias fases, y no es lo que vamos a explicar en este apartado.


Aquí lo que vamos a ver es esa ‘base’. Es un disco u oblea generalmente de silicio, Wafer en el idioma del imperio. Obviamente, hay excepciones, que tendremos en cuenta en su debido momento al ser relevantes.


Suele ser un semiconductor extrínseco, tipo P o N, en el caso de ser de silicio.


Las características son muy importantes, pero generalmente suelen ser siempre similares: pureza, concentración de dopante, nivel de impurezas no deseadas (que generan errores), pulido/planitud, etc.


Sin embargo, la clave aquí suele ser el diámetro de esa oblea, en pulgadas o, más generalmente, mm.


Por término general interesa un tamaño de oblea lo más grande posible (para meter más circuitos integrados a la vez), pero también suele ser más caro y problemático de fabricar, así que mayor diámetro suele implicar mayor precio… y tecnología más moderna.


Hoy en día los tamaños menores de 180mm están (prácticamente) desaparecidos y sólo se usan en casos particulares. La dominancia está en los 300mm, pero hay bastantes procesos en la medida de 200mm.


Se ha intentado alcanzar los 450mm, pero parece ser que esa tecnología está costando de llegar. 


Más sobre este punto más adelante, ya que este es uno de los elementos clave para entender la situación presente del ‘bloqueo’ en la automoción, así como del posible futuro de los semiconductores.


Nodos, 100, 45, 28, 14, 7nm etc. Sin embargo, no sólo tenemos la medida de la oblea como dato importante o relevante. El otro elemento importante es el tamaño del MOSFET que se puede meter dentro.


Es obvio, cuanto más grande es la oblea, más circuitos integrados caben. En la misma oblea, cuanto más pequeño es el dispositivo a fabricar, más integrados caben. Así pues, el tamaño mínimo que se puede fabricar es el otro elemento clave en la tecnología de fabricación.


En realidad, aquí es donde radica la clave de la tecnología moderna. Cuanto más pequeño es el componente que podemos fabricar, más rápido, menor consumo (debido al tamaño menor, tiene menos pérdidas y menor capacitancia de puerta), más potencia de cálculo, y más ‘cosas’ podemos meter dentro de un espacio menor.


Es aquí donde se han centrado los avances. Cada vez que se conseguía un proceso de fabricación más pequeño, se avanzaba un paso, que llamaremos nodo. Y la característica de ese nodo se mide por el ‘trazo’ más fino que se puede fabricar de forma fiable, robusta, repetitiva, precisa. Se mide en nanómetros, y lo más de lo más hoy en día, está entre 2 y 3 nm, pero eso está en desarrollo, no en producción todavía.


Sin embargo, muchos de los productos que hoy en día compramos, están en nodos de 7, 10, 14, 28 o más nm, es decir, más grandes.


Por cierto, esa es la medida del ‘elemento’ más fino que se usa, y es para el terminal de puerta (gate) de los MOSFET (gate length en la imagen es de un FinFet).


Este es el campo de batalla de los fabricantes punteros, los que distinguen a los ‘grandes’ del resto.


Foundries, pure-play, fabricantes, fabless


Cuando hablamos de ‘fabricantes’, para la mayoría de gente, especialmente ingenieros, nos vienen a la mente nombres de la talla de Intel, Samsung, Apple, Qualcomm, Texas Instruments, Xilinx, Microchip, Atmel, Fujitsu.


Pues bien, la mayoría de los que he puesto aquí NO FABRICA. Son lo que se llama ‘fabless’ o ‘sin fábricas’. Fabricantes sin fábricas…


En realidad, muchos de los que fabrican de verdad semiconductores… no tienen marca propia. Si bien Intel tiene fábricas que hacen productos propios en exclusiva, también tiene otros procesadores que le fabrican terceros.


Esos terceros que fabrican para los ‘fabricantes’, se llaman Foundries (fundiciones… que no funden nada), y pueden ser ‘pure play’, es decir, sin producto propio, o bien IDM (integrated device manufacturer) aquellos que fabrican sus propios integrados, pero también fabrican los de terceros.


En el caso de Pure Play Foundry, tenemos el mayor de todos como ejemplo, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, TMSC para los amigos. ¿Alguien se imagina dónde está ubicada la sede central?


En IDM, como ejemplo, tenemos al segundo fabricante del mundo. Samsung. No me da la gana presentar a estos desconocidos…


Sin embargo, ninguno de los presentes ‘funde’ nada de silicio. Los wafers NO son fabricados por esta gente, es cosa de otras empresas… ya ahí radica otra clave de este embrollo.


Specialty, (Main) Players, IP, proprietary. Hasta aquí hemos hablado de ‘fabricantes’ en general, pero no todos entran dentro de esa categoría. Hay otro grupo bastante particular y nada pequeño que también fabrica, con sus propias y particulares fábricas, con tecnologías diferentes.


Ese grupo hace circuitos o componentes específicos, ‘especiales’, y por tanto, en un alarde de creatividad, se les llama ‘specialty’.


Dentro de esta categoría nos podemos encontrar, por ejemplo, a Osram, fabricante europeo especializado en LED’s, que tienen su propio proceso diferente de la mayoría de otros productos. Por ejemplo, es raro el uso de silicio, y abundante el uso de Europio, mezclado con Ytrio, concretamente para hacer la ‘resina amarilla’ que hay en los LED’s ‘blancos’ (que en realidad son azules, y esa resina convierte parte de la luz en amarillo, que, mezclado con el azul da blanco).


Podemos poner también aquí a empresas como LG, que fabrica transistores (MOSFET) de película delgada… sobre cristal. Si lo pongo por sus siglas en inglés seguro que sabéis a que me refiero: TFT (thin film transistor).


Entre LG y Samsung se fabrican más de la mitad de las pantallas del mundo. Y no sólo TFT, también está la familia xLED (QLED, SuperAMOLED, OLED, etc).


Si, las pantallas son circuitos integrados, que se ponen sobre un cristal, no sobre una oblea de silicio. El nodo es relativamente grande, pero el proceso incluye la deposición de filtros de color, generalmente en base a tierras raras.


Otro fabricante ‘specialty’ es Sony. Su producto: sensores de cámara (CMOS). No es el único, aunque sea el mayoritario. De hecho, entre tres tienen más de la mitad de la producción mundial, junto con OmniVision y Samsung.


También podríamos hablar de Bosch sensortech, que se dedican a fabricar sensores específicos, por ejemplo, de condiciones medioambientales (temperatura, humedad, presión atmosférica, calidad del aire, etc). Hay otros fabricantes que se dedican a sensores MEMS (Micro Electro Mecanic Systems ¿hace falta traducirlo?) que podríamos generalizar (con cierto margen de error) por sensores inerciales: acelerómetros, giróscopos, magnetómetros (brújula), etc, que se usan para la navegación junto al GPS.


Y, hablando de GPS, podemos añadir a esta reducida lista que dista muchísimo de ser completa, a los fabricantes de tecnologías de alta frecuencia, radiofrecuencia y demás, que, generalmente se especializan en semiconductores en base a Arseniuro de Galio (GaAs), muy diferente del silicio.


Esto es una tecnología cara y compleja, y que se usa casi en exclusiva en ciertos rangos de uso de la radiofrecuencia elevada. Más concretamente, en emisores/receptores de frecuencias altas, empezando por el GPS (1.5GHz), continuando por el Bluetooth y el WiFi (2.4, 5GHz), y terminando por los radares de automoción en la gama de los 70GHz.


Un último grupito sería el de fabricantes RadHard o ‘radiation hardened’. Estos son bastante particulares, ya que utilizan tecnologías generalmente ‘obsoletas’, y de nodos enoooooormes (más de 100nm) por razones técnicas: necesitan una gran inmunidad a la radiación cósmica (de ahí lo de Reforzados contra la Radiación), puesto que su uso es espacial y especial: satélites que están más allá de las órbitas bajas, misiones extraplanetarias como la Luna o Marte (últimamente muy visitado).


Estamos hablando, en este caso, que un microcontrolador de la (muy veterana) familia 8051, que en su versión normal se puede comprar por menos de un euro (si lo encuentras, que ya es viejuno), en la versión RadHard puede costar tranquilamente decenas de miles de Euros: te lo tienen que fabricar casi ‘ex profeso’. Eso implica que hacer un prototipo te puede salir muy barato y al alcance de un aficionado… pero para poder hacer el satélite que va a salir de la atmósfera se te va a ir una pasta sólo para poder fabricarlo, sin contar con la certificación.


Hablando de radiación… los últimos avances en fabricación de IGBT’s discretos parte de obleas irradiadas para crear el dopado de base, ya que sólo así consiguen la distribución e integridad necesaria para conseguir la potencia (y también la densidad de la misma) y velocidad necesarias… otro proceso ‘especial’.


Obviamente, estos fabricantes especializados son casi los ‘propietarios’ o quasimonopolios de cierto rango estrecho de productos muy específicos de la familia de semiconductores, con procesos parecidos, pero con ciertas diferencias que no sólo los diferencian, sino cuyo know-how particular es la ventaja que aprovechan sobre el resto.


Los fabricantes especializados son numerosos, son comunes en tanto en que sus productos son ubicuos (TFT’s, cámaras, sensores inerciales, WiFi, Bluetooth), y para nada son minoría, aunque sean sólo un puñado en cada especialidad.


Fab Complex, Clean Rooms. Especialistas o generalistas, grandes o pequeños, todos estos fabricantes tienen unas cuantas cosas en común: trabajan con semiconductores, en complejos industriales (Fab Complex) que contienen Clean Rooms (o salas blancas, salas limpias).


El uso intensivo de recursos muy particulares y de gran pureza (por ejemplo, agua ultrapura, pero eso es sólo una parte) generalmente implica unas instalaciones de elevado precio que pueden ser compartidas entre varias plantas o naves de diferentes tecnologías.


Esos servicios suelen encontrarse dentro de un complejo, en naves separadas o apartadas, con sus almacenes y sistemas propios.


Dentro de estos complejos, además, están luego las ‘fábricas’ o plantas que procesan los semiconductores propiamente dichos, que suelen constar de diferentes niveles, empezando por un purificador/limpiador de aire en el techo.


Debajo del purificador de aire suele ir el ‘corazón’ de la fábrica, la sala blanca. Esta, además muchas veces está anidada, es decir contiene dentro salas blancas aún más limpias.


Cuando hablamos de salas limpias, hablamos de salas limpias de verdad, homologadas y clasificadas, dónde las más sucias dejarían avergonzada a cualquier exigente suegra tiquismiquis.


Cuando se habla de nodos de menos de 10nm, estamos hablando de cosas mucho más pequeñas que el protagonista de 2020, el coronavirus, que mide entre 100 y 500 nm.


El virus del Zika, mucho más pequeño, mide 45nm. Un pelo humano es gigantesco en comparación.


Así pues, el nivel de limpieza necesario para trabajar en uno de estos centros, es muchísimo más exigente que el presente en un laboratorio de biocontención (las medidas de seguridad son muy diferentes, por cierto, radicalmente).


Pero debajo de la sala blanca, aún hay espacio para un montón de maquinaria necesaria para dar soporte tanto a la limpieza como al suministro de materias primas.


Ah, por cierto… dentro de estas salas, el transporte de productos semielaborados se realiza con cabinas cerradas que viajan por el techo, puesto que el polvo cae hacia abajo (además de ser empujado por el sistema de reciclado del aire).


Así, no es de extrañar que los trabajadores vistan un ‘burka tecnológico’.


Steppers. ASML. Casi todos los procesos de trabajo con semiconductores tienen en común unas pocas etapas. La limpieza y depuración es una de ellas, y no me refiero sólo al aire: de ahí el elevado consumo de agua ultrapura.


Otro, es el de ir haciendo máscaras en base a resinas fotosensibles


Podríamos describir este proceso de la siguiente manera: a partir de una oblea limpia, se le pone encima una capa de resina fotosensible.


Luego se le mete un ‘flash’ de luz con una máscara (es decir, un dibujo transparente en blanco y negro), que tras un proceso de revelado y limpiado dejará partes de la superficie de la oblea cubiertas con una resina protectora resultado de este proceso, dejándola lista para el siguiente proceso, y el resto sin nada.


Ese flash se hace con un tipo de máquina llamada Stepper. Esta máquina es la clave de todo el proceso, ya que es la que define el nodo, la ‘resolución’ que es capaz de darse al semiconductor, los nm. Bueno, esta máquina junto a los coaters y etchers


El fabricante más avanzado es ASML, holandés. Si, en Europa.


El nivel actual del último modelo es tal que para que se pueda trabajar ni siquiera la depuración del aire es suficiente para asegurar la ausencia de partículas: trabajan al vacío. No hay óptica que sea transparente al láser ultravioleta ultraprofundo que utilizan (ni el mismo aire lo es), así que tienen que usar espejos.


Obviamente, la óptica (bien de cristal en los nodos más grandes, bien de espejos en los últimos nodos) tiene que tener esa precisión o más, y por tanto es cara: decenas de millones de € cada una. La máquina de ASML lista para producir está por encima del centenar largo de millones de €. Y una fábrica presentable tiene cientos, aunque de las últimas tecnologías apenas son unas decenas.


Así pues, no es de extrañar que una fábrica, sola (sin contar el resto del complejo fabril en el que está insertado) cueste la friolera de 20.000 M$.


Ni que decir tiene que, al final, todo es un tema económico.


Vapour Phase Deposition, Ionic Implantation, Epitaxia, Czochralsky. Una vez se obtiene la capa protectora mediante el proceso anterior, se suele someter la oblea a otro proceso, que puede ser retirada de material (en las áreas desprotegidas), añadir material (en todas las partes o en las zonas protegidas) o el cambio del material en las zonas desprotegidas


Por cambio se entiende el dopado (añadido mínimo dentro) del silicio, bien aumentando dicho dopado, bien reduciéndolo o incluso (habitualmente suele ser este el caso) invirtiéndolo. Ese es el proceso básico para obtener la funcionalidad del semiconductor: crear uniones P-N.


La retirada de material muchas veces se hace para luego, a posteriori, añadir de nuevo otro material. Este añadido bien puede ser de semiconductor, o bien de metales para hacer conductores o conexiones eléctricas, siendo el aluminio el más habitual, pero no siendo raro otro tipo de metales como el oro o el platino.


En muchos casos, estos añadidos o ciertos cambios, son bastante particulares y suelen ser mejoras clave para que la funcionalidad se alcance, sin ser los causantes reales de dicha funcionalidad. Por ejemplo, el añadir platino a ciertos diodos no hace que sean (o dejen de ser) diodos, pero sí que sean más rápidos.


Estos procesos suelen tener nombres bastante rimbombantes, y son definitorios del tipo de proceso o etapa en la que está la fabricación del semiconductor.


Al principio, las etapas suelen ser para crear uniones P-N, con retirada y añadidura, y cambio de materiales (semiconductores, la parte de abajo denominada FEOL). Posteriormente, cuando las uniones P-N están hechas, suele venir el añadido de las puertas de polisilicio de los MOSFET, para luego acabar con etapas de añadido de metales para hacer las interconexiones eléctricas entre los diferentes MOSFET (y demás componentes, la parte de en medio denominada BEOL) internos del circuito.


Así pues, no es de extrañar que una oblea pase por decenas de ciclos de procesado, siendo habituales tiempos entre que entra la oblea pura como materia prima, y que sale el circuito integrado ‘acabado’ de meses. Este detalle temporal es relevante, como veremos en otra entrega de esta serie.


Los procesos que se exponen como título de este apartado, excepto la técnica de Czochraslky, se aplican en la fabricación de semiconductores, algunos como la epitaxia, sólo en casos particulares.


El mencionado Czochralsky se utiliza para el crecimiento de cristales (monocristalinos) de silicio u otros materiales, como el zafiro y el cuarzo.


Por tanto, las obleas se obtienen sistemáticamente mediante este método (que luego es sometido a varios procesos más).


Es significante mencionar que no todos los semiconductores se producen en una oblea de silicio. Algunos algo particulares, especialmente procesadores de altas prestaciones, se implementan sobre obleas de zafiro (los más caros, Silicon On Sapphire), o de cuarzo, dióxido de zirconio o incluso sobre silicio ‘aislado’ (Silicon On Insulator, más baratos que los anteriores, más caros que los semiconductores ‘clásicos’).


Chip On Glass, Chip On Board (COB), Bare Die, Bonding, encapsulados. Pero estos fabricantes solo fabrican el semiconductor, no el ‘chip completo’.


Tras finalizar todos los procesos de fabricación, hay que cortar cada uno de los delicados cuadraditos y meterlo dentro de algo que los proteja… o no.


Si bien la mayoría se encapsula dentro de plástico, es posible para ciertos casos el poner el circuito integrado directamente sobre el circuito impreso. Este caso se suele llamar Bare Die, y, por ejemplo, se utiliza en las etapas de castaña de los inverters para motores eléctricos de automoción, dónde el circuito impreso es de alúmina, todo para mejorar al máximo la refrigeración es estos IGBT’s de potencia y, a la vez, reducir el tamaño.


Los procesos para montar Bare Die son muy caros, y también se tienen que realizar en una sala blanca… siendo el proceso además inherentemente sucio, lo que complica las cosas.


Lo mismo aplica para los encapsuladores, si bien éstos son más genéricos y menos sucios (no hay soldadura eléctrica, sólo ‘pegado’ y ‘wire bonding’). Éstos suelen ser fábricas externas que cogen las obleas, las cortan, ponen cada cuadradito encima de una ‘araña metálica’ (muchas veces pegada), luego los pasan por las ‘máquinas de coser’ que ponen un hilito de oro que va desde el circuito integrado a la patita metálica que luego será el pin o terminal del chip. Eso es lo que se puede ver en la foto.


Otros procesos, lo que hacen es montar el integrado ‘cabeza abajo’ encima de un circuito específico. Este suele ser el caso de los TFT’s y monitores. Este tipo de producto se suele llamar Chip On Board (COB, véase el título). La traducción literal es chip encima de la placa (Board), pero también se puede traducir más liberalmente como Chip a Bordo.


Otro caso similar se podría encontrar en los encapsulados BGA Flip Chip.


Este proceso se implementa fuera de la fábrica de semiconductores. Muchas veces, incluso fuera del país en que ésta se encuentra. Malasia es un país dónde se hace bastante de esto, igual que Filipinas.


El mundo del revés.


Ya se ha insinuado en este largo glosario (probablemente el más extenso de la serie) que muchas cosas no son lo que parecen. Vamos a explicar con algo más de detalle porqué esto es como es, el mundo al revés.


Para empezar, los fabricantes de chips no fabrican. Muchos sólo diseñan, y un buen puñado fabrica sólo una parte de su producción, concentrando la fabricación en foundries bien sean pure play, bien sean otros fabricantes que subcontratan sus excesos de capacidad productiva como es el caso de Samsung.


Y estas foundries, encima no son fundiciones porque no funden nada: compran el silicio ya rebanadito a las auténticas fundiciones que hacen los lingotes (ingots en inglés) de silicio en las condiciones requeridas.


De estas fundiciones que produzcan obleas de calidad para la fabricación de semiconductores, sólo hay un puñado. Si bien uno busca se encuentra bastantes fabricantes, resulta que la mayoría producen silicio grado solar (que ya hemos dicho que básicamente es un enoooorme diodo, lo que requiere una calidad baja), así que sólo unos pocos producen toda la producción mundial, generalmente en el tamaño de 300mm. Que produzcan de 200mm quedan aún menos.


Entre estos grandes están Tokuyama, Wacker AG, Okmetic, Shin-Etsu, Sumco (nada que ver con la compañía española de materiales de construcción).


Si se rasca un poco, prácticamente se reduce a tres: Wacker, Sumitomo y Mistubishi. La mayoría están participadas o controladas por Sumitomo y Mitsubishi. Decir que los mayores fabricantes de obleas calidad semiconductor son japoneses y que éstos controlan el mercado no es ninguna ida de la olla.


Ojo, que Sumitomo y Mitsubishi en realidad son grupos de empresas (keiretsu), así que es fácil confundirse con sus ‘primas-hermanas’ aunque no tengan ‘nada’ que ver: la Mitsubishi (Materials Corp) que hace obleas NO ES la Mitsubishi (Motors Corp) que fabrica coches.


De hecho, si uno se para a mirar detenidamente el panorama, la situación es muy parecida en todos los sectores. Los specialty, en cada campo, hay un número reducido de ‘jugadores grandes’. Ya hemos visto que las cámaras son tres: Sony, Samsung y OmniVision. En LED’s de indicación/generales, Osram y Nichia, (en LEDs de iluminación, Cree, que es algo diferente), en sensores, tres cuartos de lo mismo.


Si vamos a parar al campo más generalista, nos encontramos más variedad, pero podemos poner cinco grandes: TMSC (Taiwan), Samsung (Corea del Sur), Global Foundries (USA), SMC (Taiwan), y SMIC (China).


Un vistazo a la facturación deja claro cómo está la situación.


La dominancia de TSMC es casi absoluta… en el terreno de foundries. Si metemos los productos propios de Samsung e Intel, la cosa cambia bastante… sin que nadie adelante a TSMC. El tema de facturación aquí es complicado, ya que, por ejemplo, TSMC fabrica parte de los integrados que luego vende Intel… Y la clasificación que he enlazado sólo muestra la facturación de la parte de foundry (generalmente), lo cual distorsiona la visión del conjunto.


Por cierto… la mitad de las tripas de Apple… son Samsung… por si la cosa os parecía sencilla.


De todas formas, el mercado está dominado por muy pocos, aunque sean algunos más que en otros terrenos.


Incluso podríamos decir que entre los ‘generalistas’, cada uno está especializado en un nicho de mercado. 


Por ejemplo, Maxim está muy fuerte en fuentes de alimentación (esos chips que se encargan de ‘bajar’ la tensión de la batería del coche a los 5V o 3.3V o incluso 1.8V que se necesitan para alimentar a los otros integrados). Sus chips suelen manejar potencia, con lo que necesitan transistores grandes, así que no tiene sentido que fabriquen con nodos pequeños, aunque el proceso sea el mismo.


Sin embargo, Liebig manda. Por ejemplo, que uno de los fabricantes de WiFi esté desbordado, puede paralizar la fabricación de teléfonos móviles. 


O, como es el caso en el sector de la automoción, la falta de capacidad de fabricación de obleas de 200mm (utilizadas en nodos grandes como los que gasta Maxim) es el causante del paro en varios de los ‘fabricantes de especialidades’ como los fabricantes japoneses de microcontroladores (Fujitsu, Renesas) o de algunas líneas de la misma TMSC, aunque esta última tenga capacidad ociosa incluso en otras ramas de productos.


El mercado.


Pero… ¿cómo ha llegado el mercado a esta situación? Me refiero a que un puñado de empresas domine, que los fabricantes no fabriquen, que las fundiciones no fundan, y que otros ‘vayan a lo suyo’ haciendo sus ‘ingredientes secretos’.


Y es que la evolución es lógica… y como de costumbre, manda el dinero.


Cuando Intel mandaba, construir una fábrica de semiconductores era más barato, mucho más que ahora. Por ejemplo, las máquinas de ASML de nodos más grandes, costaban unos 50M€, mientras que las últimas que fabrica están en >120M€.


Los requerimientos de pureza eran menores, así que las máquinas de control y purificación eran más baratas, más fáciles de hacer, de menor precisión.


Y todo, en un momento en que en el mercado los procesadores se vendían caros.


Eso permitía a Intel el ir invirtiendo cada vez más en plantas más adelantadas, incluso muchas veces, en ‘reciclar’ plantas de nodos viejos. Pero a medida que el desarrollo se iba haciendo cada vez más y más caro, el margen de beneficio de los procesadores iba menguando. Así llego un momento en que la facturación de Intel no daba lo suficiente como para invertir en nuevas plantas, como la anunciada de 4nm que nunca llegó a materializar.


Rendimientos decrecientes en todo su esplendor.


De hecho, Intel dio el campanazo al empezar a subcontratar a TMSC la fabricación de sus procesadores, incluso, oh herejía, llegó a desarrollar sistemas basados en ARM (podríamos decir que la competencia).


El caso de ARM es paradigmático, la ‘culminación del mundo del revés’. Nunca han fabricado nada. Sólo se han limitado a vender propiedad intelectual a otros fabricantes, que son los que lo integran junto con otras soluciones. Es el mismo caso que las foundries, el ‘poner en común el esfuerzo’, pero aplicado al campo del desarrollo de aplicaciones (con las mismas herramientas puedes desarrollar con micros de Atmel, Qualcomm, Renesas, Fujitsu, ST, Philips, Freescale, Intel…).


Esto de ARM va mucho más allá, y como muchas otras cosas que se han comentado aquí, se analizará en más detalle en otras entradas.


Por eso, muchos fabricantes empezaron antes que Intel mismo a subcontratar foundries. Eso permitió que más de un ‘fabricante (sin fábrica)’ ‘fabricase’ en la misma ‘fábrica (o sea, foundry)’, y, por tanto, la facturación conjunta de TMSC llegó a ser tan alta, permitiendo así reinvertir en nodos cada vez más pequeños, adelantarse a la competencia, y así asegurarse clientes. Es el mismo camino que emprendió su compatriota SMC.


La estrategia de Samsung fue la inversa: invirtió en exceso de producción que luego subcontrata como foundry, sobre todo los nodos más grandes.


La razón es que Samsung, en la parte de semiconductores, en realidad es una specialy: su especialización es en la fabricación de memorias, bien RAM de varios tipos, bien flash. Las memorias son los integrados que permiten meter más componentes (transistores) en menos sitio (esto, como las viviendas, van a tanto el m2). Y dado que tenía claro que la inversión era la base de la supervivencia, pues adoptó esta estrategia. Como si el gobierno coreano no hubiese metido mano en todo esto…


Algo parecido hizo AMD, que es de dónde surgió Global Foundries.


El caso de la china SMIC es diferente, y como cabe esperar, es una apuesta estratégica del gobierno chino. En el terreno de la geoestrategia entramos… pero dejemos esto y algunos detalles más para las próximas entradas, que esta ya es demasiado larga


Mientras, si a alguien le apetece ver cómo es una fábrica de semiconductores por dentro y hacerse una idea de los procesos que se llevan a cabo, este vídeo de Global Foundries es ilustrativo.


En resumen:


  • El ‘mercado’ de los semiconductores (y también el de otros componentes electrónicos) está copado por oligopolios (por ejemplo, en la fabricación de obleas), quasimonopolios (la mayoría de commodities, Intel, ARM) y monopolios/duopolios de facto (ASML, TSMC, Samsung).

  • La razón es el coste creciente de unos avances en rendimientos decrecientes que sólo se pueden permitir grandes empresas que, la mayoría de las veces, no facturan lo suficiente como para podérselo permitir.

  • Todo esto ha hecho que el avance tecnológico se haya ralentizado estas dos últimas décadas, llevándonos a un punto de inflexión, que es en el que estamos.

  • El extremo de la dependencia hace que cualquier fallo en alguno de los puntos (que son muchos) se sienta en todo el Mundo.


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