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眾所周知，半導(dǎo)體芯片制造流程非常長，需要用到數(shù)十種半導(dǎo)體設(shè)備，經(jīng)過數(shù)百道工序才能完成。其中，前道制造環(huán)節(jié)所涉及的光刻機(jī)屬于是高價值的核心設(shè)備，也是被眾多網(wǎng)友關(guān)注最多的設(shè)備。然而，對于晶圓廠的制造產(chǎn)線來說，光刻機(jī)之類的關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障可能并不是最嚴(yán)重的問題。
畢竟這部分的制造流程中斷，短時間并不會影響到其后續(xù)制造流程。比如前面已經(jīng)完成了光刻的晶圓，可以繼續(xù)進(jìn)入到刻蝕、清洗、薄膜沉積等后續(xù)制造環(huán)節(jié)。但是如果晶圓廠的“AMHS系統(tǒng)”發(fā)生故障甚至阻塞，則可能將使得全產(chǎn)線陷入癱瘓。
AMHS是一個比較“小眾”的行業(yè)，全稱是Automatic Material Handling System，即“自動物料搬運(yùn)系統(tǒng)”。它不僅承載著晶圓、硅片、光罩等生產(chǎn)材料的自動化運(yùn)輸任務(wù)，還通過精準(zhǔn)的物料管理和高效的物流調(diào)度，保證Fab廠的生產(chǎn)線持續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
目前AMHS系統(tǒng)在半導(dǎo)體晶圓制造環(huán)節(jié)應(yīng)用已經(jīng)非常普及。從8英寸晶圓廠開始，AMHS的AGV（自動導(dǎo)向車）地面方案和“空中走行式無人搬送車”（OHT天車）方案就已經(jīng)逐步導(dǎo)入，到了12英寸晶圓廠時代，OHT天車方案已經(jīng)成了標(biāo)配，成為了AMHS系統(tǒng)中的核心。隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展，AMHS也開始逐步進(jìn)入了封測領(lǐng)域。作為半導(dǎo)體從業(yè)人員，我者曾進(jìn)入多家Fab廠中深度學(xué)習(xí)參觀，對AMHS系統(tǒng)也有了較深的理解。
目前該領(lǐng)域目前絕大部分市場仍舊被牢牢握在幾家日本廠商手里，國產(chǎn)替代仍舊處于起步階段，僅有少數(shù)的幾家企業(yè)擁有導(dǎo)入先例。一個月前黎巴嫩BB機(jī)爆炸事件，引發(fā)了公眾對于國外電子設(shè)備安全性的恐慌，讓國產(chǎn)替代再次登上熱搜。很多朋友也曾問過我AMHS的國產(chǎn)替代是否有大量機(jī)會，作為真正和這個行業(yè)打過交道的人，我想先說一句：AMHS國產(chǎn)替代，真的沒那么簡單。這個行業(yè)，太吃經(jīng)驗(yàn)了！
為什么說AMHS國產(chǎn)替代難
筆者曾參觀某封測廠，了解到其使用的某國產(chǎn)天車廠商提供的天車的4根皮帶全部斷裂。據(jù)內(nèi)部人員闡述，該廠商還曾發(fā)生過天車著火的重大事故。除此以外，業(yè)內(nèi)也曾流傳有其他國產(chǎn)天車廠商發(fā)生天車冒煙事件。我們一直鼓勵國產(chǎn)替代多加嘗試，突破“卡脖子”、突破海外壟斷的局面，但我還是不禁有所疑問，國產(chǎn)替代真的只能做到“簡單替代”嗎？
要知道，晶圓制造是一個高度復(fù)雜且極度精細(xì)的過程，包含了從晶圓切片、清洗、光刻、蝕刻、沉積、金屬化到封裝測試的多個關(guān)鍵步驟。在這一過程中，AMHS負(fù)責(zé)將各種生產(chǎn)材料從一個工序精準(zhǔn)運(yùn)輸?shù)较乱粋€工序。據(jù)SEMI統(tǒng)計，每一個生產(chǎn)周期中，晶圓要經(jīng)過數(shù)百次的移動，而這些移動幾乎完全依賴AMHS完成。如果AMHS出現(xiàn)故障，晶圓無法被及時運(yùn)輸?shù)较乱还ば颍麄€生產(chǎn)線將停滯。
如果晶圓處于不穩(wěn)定環(huán)境下的時間越長，其良品率就會越低，甚至?xí)?dǎo)致整批晶圓報廢，給Fab廠帶來不可挽回的損失。假如這次天車履帶斷裂發(fā)生在蝕刻或沉積等關(guān)鍵工序中，如果晶圓未能按時被轉(zhuǎn)移，表面的微結(jié)構(gòu)可能受到氧化、污染等影響，直接影響芯片性能。因此，AMHS的穩(wěn)定運(yùn)行不僅關(guān)乎生產(chǎn)效率，還直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。研究機(jī)構(gòu)VLSI的數(shù)據(jù)表示，在半導(dǎo)體制造的各個階段，AMHS系統(tǒng)的故障每次都可能引發(fā)價值百萬美元的損失，而生產(chǎn)中斷帶來的間接損失更是難以估量。
尤其是在目前Fab廠追求高稼動率的背景下，哪怕是幾分鐘的AMHS系統(tǒng)中斷，都可能導(dǎo)致晶圓在敏感環(huán)境下的時間超標(biāo)，最終帶來的是整個生產(chǎn)計劃的推翻與大量的重新調(diào)度。
上述國產(chǎn)天車履帶斷裂問題便是一個典型的例子，履帶損壞直接導(dǎo)致Fab廠的天車無法正常運(yùn)行，生產(chǎn)線被迫停產(chǎn)數(shù)天，帶來的不僅是時間的浪費(fèi)，生產(chǎn)效率的大幅降低，還使得客戶對產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的信心受挫。
從正常的生產(chǎn)節(jié)奏來看，晶圓制造的每個流程都有其嚴(yán)格的時間要求，AMHS的穩(wěn)定性決定了這些流程能否有序銜接。比如光刻之后的晶圓必須在特定時間內(nèi)完成蝕刻，延誤會導(dǎo)致晶圓表面的光刻膠失效。而在封裝測試階段，若AMHS故障，測試結(jié)果延遲反饋，出貨時間將大幅推遲。這種生產(chǎn)中斷不僅會影響單批次的生產(chǎn)，還可能使得整個Fab廠的生產(chǎn)計劃被迫重新調(diào)整，進(jìn)而影響到整條供應(yīng)鏈的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
經(jīng)驗(yàn)至上的AMHS行業(yè)
AMHS的復(fù)雜性往往不局限于機(jī)械和電子系統(tǒng)的設(shè)計上，反而是實(shí)際應(yīng)用與導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)，尤其在與Fab廠生產(chǎn)工藝的深度融合能力上，對于生產(chǎn)效率影響更多。也就是說，AMHS廠商不僅需要懂得如何設(shè)計一套自動化系統(tǒng)，更重要的是，如何讓這套系統(tǒng)在極端復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。
如今的AMHS設(shè)計中已經(jīng)引入了大量仿真技術(shù)，但這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到EDA工具在芯片設(shè)計中所起到的仿真模擬作用。宏觀視角看，AMHS涉及整個天車的運(yùn)行邏輯、軌道設(shè)計以及物料調(diào)度。而在微觀層面，從天車的電纜布線、分立器件的排布到電機(jī)和傳感器的選型，任何一個環(huán)節(jié)的設(shè)計缺陷都可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行。
相信這次國產(chǎn)天車履帶斷裂事件能為AMHS國產(chǎn)替代提供重要教訓(xùn)，因?yàn)檫@一問題并非技術(shù)層面的創(chuàng)新不足，而是經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致設(shè)計中的瑕疵沒有被及時發(fā)現(xiàn)并解決。沒有足夠?qū)嶋H運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的廠商，即使擁有最先進(jìn)的技術(shù)，在遇到復(fù)雜且高強(qiáng)度的生產(chǎn)環(huán)境時也可能出現(xiàn)各種意想不到的問題，而這些問題往往會在實(shí)際生產(chǎn)中以更大的代價暴露出來。
國產(chǎn)替代還要走多久？
近年來，國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)大力推動AMHS的國產(chǎn)替代，力爭減少對外部供應(yīng)鏈的依賴。然而，國產(chǎn)替代并不是簡單的技術(shù)復(fù)制和模仿，它是一個長期的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)沉淀的過程。雖然國內(nèi)一些廠商在技術(shù)研發(fā)上取得了顯著進(jìn)展，但與日本村田機(jī)械和日本大福等國際領(lǐng)先企業(yè)相比，仍存在較明顯的經(jīng)驗(yàn)差距。
第三方機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，目前在半導(dǎo)體領(lǐng)域，全球AMHS市場規(guī)模在20億美金左右，主要被日本村田機(jī)械和日本大福所壟斷，市占率達(dá)95%以上。
根據(jù)IC Insight報告分析，全球頂尖的AMHS供應(yīng)商在Fab廠中已積累了數(shù)十年的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，不僅對各類復(fù)雜生產(chǎn)流程了如指掌，還能迅速應(yīng)對生產(chǎn)中出現(xiàn)的突發(fā)情況。這種經(jīng)驗(yàn)是國內(nèi)很多新興企業(yè)所缺乏的。
因此，在推動國產(chǎn)替代的過程中，我們不能一味追求低成本或短期效益，必須優(yōu)先選擇那些在國內(nèi)外擁有大量經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，確保國產(chǎn)AMHS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性?？偠灾?，AMHS國產(chǎn)替代的道路還需腳踏實(shí)地推進(jìn)，經(jīng)驗(yàn)的積累遠(yuǎn)比技術(shù)突破更加重要。也只有那些擁有深厚經(jīng)驗(yàn)、能與國際標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)的企業(yè)，才能在這場國產(chǎn)替代的浪潮中立足，真正引領(lǐng)行業(yè)前進(jìn)。
作者：鹿工? ? ?編輯：芯智訊-浪客劍
