15 Branchenexperten zu ständigen Halbleiterproblemen – und Lösungen

By Lisa Eitel | March 16, 2023

Halbleiterprodukte waren stärker als alle anderen von den weltweit spürbaren COVID-bedingten Lieferkettenproblemen betroffen. Die internationalen politischen Spannungen haben das Problem nur verlängert und verschärft.

Von Lisa Eitel | Chefredakteur

Jedes moderne Gerät, jedes Fahrzeug, jedes intelligente Gerät und jedes Gerät ist mit Halbleitern in Hülle und Fülle übersät – sie bieten die einzigartige Funktion der Rechenleistung, die das bestimmende Merkmal fortschrittlicher elektronischer Produkte ist, die heute am meisten geschätzt werden. Das durch COVID ans Licht gebrachte Problem ist, wie die kosmopolitische, aber nicht diversifizierte Natur der Halbleiterindustrie sie derzeit anfällig für unterschiedliche Probleme auf der ganzen Welt macht.

ABB Robotics arbeitete mit Easy Field Corporation (EFC) zusammen, um einen Halbleiter-Entpacker zu entwickeln, der Reinraumroboter vom Typ IRB 1200 zur Verbindung von Stationen und IRB 4600 zur Steigerung der Kapazität einsetzt. Ein Barcode-Scanner bestätigt die Etiketteninformationen. Anschließend übergibt ein IRB 4600-Roboter einen Versandkarton mit Frontöffnung (FOSB) an eine Station zum Befüllen mit Stickstoff.

In vielen Fällen betreiben eine kleine Handvoll Unternehmen die Chipverarbeitung in Europa; Spanverarbeitungsmaschinenbau in Kalifornien und Japan; Chiptests in Südostasien; und Montage zum Endprodukt (sofern zutreffend) in China. Zunehmend besorgniserregend ist nun die Tatsache, dass mehr als die Hälfte aller Halbleiter und mehr als 90 % aller hochentwickelten Halbleiter im winzigen Inselstaat Taiwan hergestellt werden. Die dortigen Fabriken (Fabriken oder Gießereien), darunter Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSM), liefern mehr als die Hälfte aller Halbleiter weltweit und fast alle fortschrittlichen Halbleiterchips (mit extrem miniaturisierten Merkmalen). Allerdings könnte die drohende Möglichkeit, dass China Anspruch auf Taiwan als Provinz erhebt, diese Industrie gefährden.

Ein ABB IRB 1200 verwendet einen Ultraschallschneider (der keinen Staub erzeugt), um den Aluminiumbeutel mit dem FOSB zu schneiden. Anschließend übergibt der Reinraumroboter den zu bearbeitenden Karton an eine weitere IRB 1200-Station. Da ein Roboterarm die Abfälle aus der Halbleiterfertigung an eine zentrale Station weiterleitet, geht das Be- und Entladen schneller vonstatten. Bild: ABB

Zu den zunehmenden Spannungen zählen Sanktionen aus der Trump-Ära, die den chinesischen Telekommunikations- und Elektronikriesen Huawei daran hindern, US-Software oder -Technologie einzusetzen, und Sanktionen aus der Biden-Ära sowie das 2022 Creating Hilfreiche Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Act. Letzterer sieht 280 Milliarden US-Dollar für koordinierte Ausgaben in den USA im nächsten Jahrzehnt vor, einschließlich Halbleiter-Forschung und -Entwicklung sowie Kommerzialisierung (200 Milliarden US-Dollar); Fertigung und Personalentwicklung (52,7 Milliarden US-Dollar); und Steuergutschriften für die Chipproduktion (24 Milliarden US-Dollar). Das Gesetz ähnelt dem CHIPS-Gesetz, das im Dezember 2022 vom Europäischen Rat der Europäischen Union offiziell verabschiedet wurde. Lesen Sie weiter, um die Ansichten der Design World-Diskussionsteilnehmer zu diesen Initiativen zu erfahren.

Justin Lackey | Produktmanager – Systeme • Bosch RexrothKelly Walden | Vizepräsident für Fertigung • Bishop-Wisecarver Corp.Jonathan Schroeder | Executive VP • PBC LinearPamela Kan | Präsident und Eigentümer • Bishop-Wisecarver Corp.Richard Johannes | Direktor für Technik und Innovation • LEMO USASteven Lassen | Produkt- und Anwendungsmanager • LEMO USATom Schroeder | Executive VP • PBC LinearAndy Zaske | Vizepräsident für Vertrieb und Marketing • TolomaticBoaz Eidelberg | CTO • SAAR Inc.Nathan Andaya| Direktor – Strategische Geschäftseinheit Techline • LINAK USCamilo Orjuela | Branchensegmentmanager – Halbleiter und Solar • Bosch Rexroth Corp.Chris Gumas | Marketingdirektor • Ruland ManufacturingMike Beasley | US-Halbleiterproduktion • maxonAndrew Jung | Technischer Direktor • Bishop-WisecarverChris Gottlieb | Direktor – Antriebe und Steuerungen • Kollmorgen

Lackey: Auch wenn der Halbleitermarkt im Jahr 2023 stagniert, prognostizieren wir einen deutlichen Anstieg in den kommenden Monaten und bis ins Jahr 2024 – insbesondere da staatliche Anreize die US-Nachfrageprognosen gestärkt haben. Dennoch sind wir im asiatisch-pazifischen Raum weiterhin als globaler Lieferant von Halbleiterwerkzeugprodukten präsent.

Walden: Ich unterstütze die meisten Initiativen unserer Regierung, die Investitionen in die Produktion fördern und den USA gleichzeitig einen strategischen und defensiven Vorteil in der Weltwirtschaft verschaffen.

Orjuela: Die zunehmende Komplexität von Halbleiterdesigns sowie die schnell steigende Nachfrage nach Halbleitern aus allen Marktsegmenten stellen Fabrikbetreiber und Werkzeugbauer vor große Herausforderungen, eine fortschrittlichere Produktion zu schaffen und gleichzeitig die Kosten unter Kontrolle zu halten. Angesichts der explodierenden Kosten – allein der Bau einer Halbleiterfabrik kostet schätzungsweise 15 bis 20 Milliarden US-Dollar – stehen Chiphersteller vor einem Dilemma: Sollten sie mehr Werkzeuge kaufen und Anlagen erweitern oder Wege finden, den Durchsatz mithilfe anpassungsfähigerer und effizienterer Automatisierungstechnologien zu verbessern?

Eidelberg: Die meisten Fabriken sind in Taiwan, Japan, China, den USA und Deutschland tätig und schon seit Jahrzehnten im Geschäft. Die Herausforderung besteht darin, dass der Bau und Betrieb von Fertigungszentren Milliarden von Dollar kostet und für den Betrieb hochqualifizierte Mitarbeiter erforderlich sind. Darüber hinaus werden in wichtigen Prozessen der Halbleiterfertigung (einschließlich der Lithographie) hochpräzise Maschinen eingesetzt, die vor Störungen durch seismische Aktivitäten, Flughafenlärm, vorbeifahrende Züge, Straßenverkehr und lokale Handhabungsgeräte geschützt werden müssen.

Um mit bestehenden Fertigungsanlagen in Übersee konkurrieren zu können, sollten meiner Meinung nach US-Mittel Universitäten und Hersteller von Halbleitergeräten fördern, die auf die Entwicklung innovativer Produkte mithilfe von KI/ML-Technologie vorbereitet sind. Letztendlich würde dies es Fertigungsprozessen ermöglichen, autonome Entscheidungen in Echtzeit als Reaktion auf unsichere Fertigungsumgebungen zu treffen. IoT-, 5G-, Cloud- und möglicherweise Kryptowährungssysteme könnten solche autonomen Abläufe ergänzen und so zu einer besseren Markteinführungszeit, Zuverlässigkeit, Qualität, Produktivität und Kosten führen.

Mit der neuen Strukturierungstechnologie Centura Sculpta von Applied Materials können Chiphersteller Hochleistungstransistoren und Verbindungsleitungen mit einem einzigen manipulierbaren EUV-Muster (Extrem-Ultraviolett-Lithographie) herstellen. Kurz gesagt zielt die Technologie darauf ab, die feinen Ergebnisse der Doppelmusterung zu erzielen, jedoch zu geringeren Kosten, geringerer Komplexität und geringerer Umweltbelastung. Dies ist nur ein Beispiel für die jüngsten Entwicklungen in der Halbleiterfertigung. Bild: Angewandte Materialien

Gumas: Ruland-Produkte werden von den meisten der weltweit größten Hersteller von Halbleiterausrüstungen verwendet. Die Entwicklung neuer Anlagen für amerikanische und europäische Unternehmen erfolgt hauptsächlich in den Märkten, in denen die Endproduktion üblicherweise in China stattfindet. Wenn ein Teil der Produktion in die USA verlagert wird, ergibt sich für uns kein direkter Vorteil. Die Geräte, die möglicherweise bald in den USA hergestellt werden, verwenden bereits High-End-Komponenten von Herstellern wie Ruland.

Allerdings freuen wir uns als inländischer Hersteller über Investitionen der USA in irgendeinem Teil des verarbeitenden Gewerbes. Es wird wahrscheinlich das Wachstum in den verschiedenen Branchen stimulieren, die zur Unterstützung der Branche erforderlich sind, die sowohl von der Industrie als auch von der Regierung in den letzten 30 Jahren unterfinanziert wurde.

T. Schroeder: Die Regierung hat einen positiven Schritt gemacht, indem sie in die heimische Halbleiterfertigung und -entwicklung investiert hat. Milliarden von Dollar werden in den US-Markt fließen, um diese Fabriken zu bauen und auszurüsten. Eine Einschränkung besteht darin, dass es Jahre dauern wird, bis diese Fabriken in großem Umfang produzieren. Darüber hinaus hat die gleichzeitige Einführung von Exportbeschränkungen für Halbleiter nach China durch die Biden-Regierung ein Angebot hinterlassen, für das der US-Halbleitermarkt keine Nachfrage hat, um es zu ersetzen.

Kan: Auch wenn ich mich über diese Entwicklung freue, habe ich dennoch das Gefühl, dass sie etwas kurzsichtig ist. Der CHIPS and Science Act ist ein guter erster Schritt, aber die Regierung hätte aus der COVID-Erfahrung lernen müssen, dass viele kritische Bereiche der Lieferkette in den USA nicht mehr lebensfähig sind. Ein ganzheitlicherer Ansatz muss gewählt werden, um Wachstum und Innovation zu steigern des US-amerikanischen Industriemarktes.

Andaya: Die Auslagerung der Halbleiterfertigung in die USA wird die Risiken verringern, die mit einem Fertigungspartner in China verbunden sind. Die größten Vorbehalte sind die Auswirkungen auf den Preis.

Gottlieb: Kollmorgen verwendet sowohl Halbleiter als auch verkauft sie auf dem Markt für Halbleiter-Servo-Bewegungssteuerungen. Qualität, einfache Programmierung und optimierte Leistung sowie Bewegungsausgabe sind in diesem Markt von entscheidender Bedeutung. Die Diversifizierung der physischen Standorte für die Halbleiterfertigung ist für die gesamte Bewegungssteuerungsbranche von Vorteil und trägt dazu bei, die Lieferkonsistenz der in unseren Produkten verwendeten Industriehalbleiter zu verbessern.

CHIPS wurde im dritten Quartal 2022 gesetzlich unterzeichnet und hat bereits Forschungs- und Fertigungsinitiativen für Halbleiter vorangetrieben. Wenn alles gut geht, werden voraussichtlich im nächsten Jahr zwei TSM-Fabriken in Arizona mit der Produktion von 4-nm-Chips beginnen (auch für Apple), und in zwei Jahren soll die erweiterte 3-nm-Chipproduktion folgen. Wie erwähnt sind die Prozesse maximal komplex. Chip-Baupläne, die mit oft proprietärer Software entworfen wurden, könnten von der anderen Seite der Welt kommen, um auf speziellen Siliziumwafern unter Verwendung technischer Gase ausgeführt zu werden.

Kan: Im Chipherstellungsprozess werden unsere speziellen Linearlager für den Transport von Produkten in Hochtemperaturbereiche eingesetzt.

T. Schroeder: Wir bieten präzisionsgeschliffene blanke Stangen und Stützschienen für lineare Bewegungen in Anlagen zur Herstellung von Siliziumwafern.

Zaske: Wir unterstützen voll und ganz die Auslagerung der Halbleiterfertigung. Tolomatic-Produkte werden im Wafer-Wachstumsprozess eingesetzt, wo Zuverlässigkeit, Stabilität und Präzision einen erheblichen Unterschied in der Ausbeute und Qualität machen können. Unser Produktionsstandort in Minnesota sorgt für kurze Lieferzeiten, Produktmodifikationen für spezifische Anwendungen und schnell erreichbaren Support für nordamerikanische Konstrukteure.

Lackey: Die Herstellung der Komponenten, die in größere Systeme und Unterbaugruppen einfließen, hat uns geholfen, unsere Präsenz in der Herstellung von Halbleiterwerkzeugen zu vergrößern. Derzeit liefern wir lineare Kugelschienensysteme und Kugelumlaufspindelantriebssysteme für verschiedene Halbleiterfertigungsprozesse. Dazu gehören Wafer-Herstellungs- und Hebesysteme, Wafer-Werkzeugtransfersysteme, Nassbänke, Materialabscheidungsgeräte sowie Ätz- und chemische Prozessmaschinen. Unsere Linearführungs- und Antriebstechnologien fließen auch in Standardkatalogprodukte und Linearmodule ein.

Bei den Linearmodulen, die wir für Halbleiterwerkzeuge liefern, handelt es sich überwiegend um kugelumlaufgetriebene Module wie unsere PSK-Präzisionsmodule mit integrierter Linearführung und Kompaktmodule (CKK) mit doppelter Kugelschienenführung. Bei einigen kleineren Projekten kommen unsere CKR-Kompaktriemenantriebsmodule mit Doppelschienenführung zum Einsatz. Bei diesen Designs sind Kompaktheit und Genauigkeit nicht so entscheidend für die Anwendung.

Über unsere Standardkatalogprodukte hinaus arbeiten wir mit Konstruktionsingenieuren zusammen, um ihnen kundenspezifische Unterbaugruppen zu liefern, die nach Spezifikation gefertigt werden. Diese integrieren unsere Standard-Kugelschienensysteme, Kugelumlaufspindelantriebe und (in neuen Werkzeugdesigns) unsere Rotations- und Linearmotoren.

Bild: Dreamstime • Kittipong Jirasukhanont

Walden: Die Produkte von Bishop-Wisecarver sind dank des reibungslosen Betriebs und der hohen Qualität unserer Produkte in einer breiten Palette von Wafer- und Halbleiterfertigungsanlagen zu finden.

Jung: Unsere Komponenten sind gut geeignet, den steigenden Anforderungen der Halbleiterindustrie gerecht zu werden, wo saubere Umgebungen erforderlich sind. Der kontinuierliche Betrieb der Ausrüstung, auch für die Waferherstellung, ist von entscheidender Bedeutung. Denn ein Ausfall bei jedem Halbleiterherstellungsprozess kann zu kostspieligen Verlusten führen.

Hochpräzise Bewegungsgeräte schneiden, ätzen und tragen Halbleiterdetails in Siliziumwafer auf und transportieren dann die fertigen Chips weiter.

Orjuela: Angesichts der Komplexität heutiger Chipprozesse muss der Wafertransport streng kontrolliert werden, um so stabil und vibrationsfrei wie möglich zu sein. Andernfalls können durch Vibration Partikel entstehen, die den Wafer verunreinigen oder zu winzigen Fehlern in der Form des Wafers führen können. Gleichzeitig sinkt die Produktivität, wenn der Wafertransport zu langsam ist, und die Kosten steigen. Wir haben umfassendes Fachwissen bei der Lösung der Bewegungssteuerungsherausforderungen für viele Front-End-Waferhandhabungsanwendungen entwickelt. Unser technologieübergreifendes Portfolio kombiniert offene App-basierte Steuerungen, kompakte Servoantriebe, die speziell für Halbleiterwerkzeuganwendungen entwickelt wurden, und lineare Technologiesysteme, die für vibrationsfreie, präzise Bewegungen ausgelegt sind.

Mithilfe dieses Portfolios erstellen wir maßgeschneiderte mechatronische Baugruppen mit Technologien, die den anspruchsvollen Anforderungen der Halbleiterfertigung an Bewegungssteuerung, Effizienz und Durchsatz gerecht werden. Diese vorgefertigten und getesteten Baugruppen helfen Werkzeugherstellern dabei, Systeme schneller fertigzustellen und an Chiphersteller zu liefern – und können Fabrikbetreibern dabei helfen, Prozesse zu rationalisieren und reibungslose, präzise Bewegungen und eine Positionierung im Nanomaßstab zu erreichen.

Bosch Rexroth bewältigt die Herausforderungen der Bewegungssteuerung für viele Front-End-Wafer-Handling-Anwendungen.

Johannes: LEMO verfügt über mehrere Verbindungsprodukte, die in Netzwerk-, Steuerungs- und Videosystemen verwendet werden, die für Halbleiterfertigungsanlagen erforderlich sind. Diese Produkte bieten hermetisch abgedichtete Verbindungen zur Überbrückung verschiedener Gerätesegmente und wahren gleichzeitig die erforderliche Umgebungsisolierung. Zu den Verbindungsanwendungen gehören Aufdampfen, Ionenimplantation, Ätzen und chemisch-mechanisches Polieren (CMP).

Die Hybridkonfiguration von LEMO integriert Singlemode-Faser-, Hochspannungs- und Niederspannungselemente in demselben robusten Gehäuse.

Lassen: Viele Sensoren und Steckverbinder an Geräten zur Halbleiterfertigung werden in einer Reinraumumgebung betrieben. In einigen Fällen müssen die Steckverbinder dieser Komponenten im Reinraum an das Kabel montiert werden … und das macht das Löten zu einer Herausforderung. Um dieses Problem zu vermeiden, werden durch die Verwendung von Crimpkontakten Lötdämpfe durch Luftverunreinigungen vermieden.

In Halbleiteranwendungen können auch Heizleistungs- und Temperaturmessungen über unsere robusten und kompakten Steckverbinder übertragen werden. Die Anschlüsse lassen sich einfach und schnell verbinden und trennen. Darüber hinaus können sie Thermoelementkontakte vom Typ K oder J aufnehmen – zusammen mit Signal- oder Stromanschlüssen oder sogar Glasfaserkabeln im selben kompakten, robusten Steckverbindergehäuse.

Leider kann in einigen Hochvakuumumgebungen der Halbleiterfertigung ein Zustand auftreten, der Kaltschweißen genannt wird. Dabei werden zusammengesteckte Hälften eines Steckverbindersatzes aus demselben Metallmaterial einem Vakuum ausgesetzt und (im Laufe der Zeit) werden die beiden Hälften dort zusammengeschweißt, wo sich die inneren Komponenten berühren. Kaltverschweißungen können das Entkuppeln erschweren oder unmöglich machen. Um dieses Problem zu lösen, bietet LEMO Steckverbinder mit Hälften aus unterschiedlichen Metallen an.

Beasley: Wir bieten kostengünstige Lösungen für die anspruchsvollsten Bewegungssteuerungsanwendungen im Halbleitermarkt. maxon arbeitet mit Branchenführern zusammen und nutzt Bewegungs- und Anwendungswissen, um präzise Systeme mit kompakten rotierenden und linearen bürstenlosen Gleichstromservoantrieben sowie Steuerungen bereitzustellen. Das Herzstück der Halbleiterproduktion ist der teure und empfindliche Wafer selbst. Der Wafer wird schnell durch mehrere automatisierte Prozesse bewegt – einschließlich Heben, Positionieren, Halten, Ätzen, Polieren und Inspektion vom Rohmaterial bis zum Endprodukt des Schaltkreischips – für maximalen Durchsatz und Genauigkeit bei engen Größenbeschränkungen.

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Der ASML TWINSCAN NXE:3400B unterstützt extrem ultraviolette Lithographie, um Halbleiterprodukten 7- und 5-nm-Merkmale mit hohem Durchsatz und hoher Auflösung zu verleihen und die ArFi-Technologie (Argon Fluoride Immersion) von ASML zu ergänzen. Bild: ASML