مدارهای مجتمع و نیمههادیها، پایه فناوری‌های الکترونیکی هستند و بدون آنها تلفن‌های همراه، رایانه‌ها، هوش مصنوعی و اینترنت اشیا ممکن نیستند. افزایش تقاضا می‌تواند فشار زیادی بر زنجیره تأمین تولید نیمه‌هادی وارد کند. نوسانات قیمت مواد اولیه، تغییرات سریع فناوری و نیازهای جدید دستگاه‌ها از چالش‌های تولید نیمه‌هادی هستند، اما این چالش‌ها فرصت‌هایی برای رشد نیز ایجاد می‌کنند.
رشد صنعت نیمه‌هادی
علیرغم رشد ثابت نیمه‌هادی در دو دهه گذشته، سال ۲۰۱۸ نشان داد که حتی افزایش تقاضا برای مدارهای مجتمع نمی‌تواند این صنعت را از تأثیرات بازار مصون کند. اواخر ۲۰۱۸ تقاضا برای تراشه‌های حافظه کاهش یافت و به سایر دستگاه‌ها هم سرایت کرد. این کاهش بخشی از چرخه عرضه و تقاضا بود: وقتی تقاضا افت می‌کند، قیمت‌ها و تولید تراشه‌ها نیز پایین می‌آید.
کاهش تقاضا با مناقشات تجاری بین آمریکا و چین تشدید شد. چین یکی از تولیدکنندگان اصلی نیمه‌هادی و تأمین‌کننده فلزات کمیاب است. این عوامل باعث کاهش سود در سال ۲۰۱۹ شد و درآمد از ۴۶۷.۱ میلیارد دلار به ۴۰۹ میلیارد دلار رسید.
وضعیت فعلی صنعت نیمه‌هادی چگونه است؟
پس از یک سال پر تلاطم در دوره همه‌گیری کرونا، انتظار می‌رود که بازار نیمههادیها در سال‌های پیش رو بهبود یابد. بخشی از این بهبود به دلیل افزایش تقاضا از سوی صنعت گوشی‌های هوشمند و زیرساخت‌های نوظهور شبکه‌های بی‌سیم 5G است. با استقرار شبکه‌های 5G، این فناوری فرصت‌های جدیدی را برای ارائه‌دهندگان خدمات شبکه‌های موبایل فراهم می‌کند. پیش‌بینی می‌شود اندازه بازار این صنعت تا سال ۲۰۳۵ به ۱.۹ تریلیون دلار در تولید اقتصادی ایالات متحده برسد.
پس از کاهش قابل توجه تقاضا برای نیمههادیها در سال‌های ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹، که به دلایل متعددی از جمله تغییرات در بازار و همچنین نوسانات اقتصادی جهانی اتفاق افتاد، انتظار می‌رود که رشد سالانه تقاضا برای سامانه‌های حمل‌ونقل واحد و گوشی‌های هوشمند به طور چشمگیری افزایش یابد. به طوری که این افزایش عمدتاً به دلیل افزایش تقاضای مصرف‌کنندگان برای دستگاه‌های مدرن و پیشرفته‌ای است که به فناوری 5G مجهز هستند. این روند مثبت رشد در بازار گوشی‌های هوشمند، به نوبه خود تأثیر مستقیمی بر تقاضا برای نیمه‌هادی در این بخش از بازار خواهد داشت و موجب افزایش نیاز به این فناوری کلیدی و پیشرفته در صنعت تولید گوشی‌های هوشمند خواهد شد.
انتظار می‌رود صنعت نیمه‌هادی به زودی چگونه عمل کند؟
با وجود تنش‌های تجاری جهانی که باعث عدم اطمینان در بازار نیمه‌هادی شده‌اند، تقاضای مصرف‌کنندگان و رشد بازارهای 5G، اینترنت اشیاء (IoT) و هوش مصنوعی (AI) زمینه مناسبی برای توسعه این بازار فراهم می‌کند. پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۵ بیش از ۷۵ میلیارد دستگاه IoT در سطح جهانی نصب و فعال شود که تمامی آنها به دستگاه‌های تولید کنندگان نیمه‌هادی نیاز خواهند داشت.
هوش مصنوعی، که یکی از حوزه‌های رشد صنعت نیمه‌هادی است، به گفته کارشناسان، تا سال ۲۰۲۵ جزئی عادی از زندگی روزمره خواهد شد. همچنین انتظار می‌رود که شبکه‌های 5G تا آن زمان تا ۶۵ درصد از جمعیت جهان را پوشش دهند و ۴۵ درصد از ترافیک داده‌های جهانی را مدیریت کنند.
این شرایط فرصت‌های بسیاری را برای تولیدکنندگان نیمه‌هادی فراهم می‌کند. افزایش تعداد کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی و تقاضای مصرف‌کنندگان باعث افزایش فروش خواهد شد. همچنین بخش‌های IoT و هوش مصنوعی تقاضا برای کوچک‌سازی بیشتر تراشه‌ها را افزایش خواهند داد و باعث تغییرات در فرایند تحقیق و توسعه (R&D) و تولید نیمههادیها خواهند شد.
صنعت نیمه‌هادی در سال ۲۰۲۴ برای بهبود قابل توجه آماده شده است. پس از رکود سال ۲۰۲۳، انتظار می‌رود فروش جهانی نیمههادیها با ۱۳ درصد افزایش به ۵۸۸ میلیارد دلار برسد، که نشان‌دهنده بازگشتی چشمگیر پس از کاهش ۹.۴ درصدی در سال قبل است. این بهبود عمدتاً ناشی از افزایش تقاضا برای تراشه‌های هوش مصنوعی و بازگشت بازار حافظه است که در سال ۲۰۲۳ به شدت کاهش یافته بود.
پیش‌بینی می‌شود که این صنعت در سال ۲۰۲۴ به نرخ رشد ۲۰ درصدی دست یابد، با افزایش سرمایه‌گذاری‌ها در هوش مصنوعی، بهبود بازار گوشی‌های هوشمند و گسترش در بخش خودرو. با این حال، چالش‌های ژئوپلیتیکی، مانند تنش‌های بین ایالات متحده و چین و پیچیدگی‌های زنجیره تأمین، همچنان به‌عنوان موانع بالقوه برای صنعت باقی می‌مانند. (IDC)
صنعت تولید نیمههادیها و قطعات الکترونیکی
معمول است که به نیمههادیها به عنوان بخشی از بازار تولید قطعات الکترونیکی نگاه کنیم. این درست است که نیمههادیها صنعت الکترونیک را ممکن می‌سازند، اما نادرست است که بخواهیم آنها را جزء قطعات الکتریکی بدانیم. در واقع، نیمههادیها بنیان و اساس زنجیره تأمین قطعات الکترونیکی هستند.
با این توضیح، بیایید به بررسی عمیق صنعت قطعات الکتریکی و الکترونیکی، تولید مدارات مجتمع و سایر محصولات نیمه‌هادی، و موادی که برای فرآیند تولید ضروری هستند، بپردازیم.
صنعت قطعات الکترونیکی چیست؟
صنعت قطعات الکترونیکی یک بخش گسترده است که مسئول تولید تمام قطعات الکترونیکی، از جمله مدارات مجتمع، دیودهای ساطع‌کننده نور، فیوزهای با سرعت بالا، سوئیچ‌ها، مقاومت‌ها، خازن‌ها، رله‌ها و قطع‌کننده‌های مدار است. علاوه بر این، این صنعت محصولاتی تولید می‌کند که مستقیماً به نیمههادیها مرتبط نیستند. مانند لامپ‌های کاتدی و مواد تابشی که برای پوشش لامپ‌های فلوروسنت استفاده می‌شوند.
محصولات تولیدشده توسط صنعت قطعات الکترونیکی شامل تمامی قطعات فعال و غیرفعالی است که برای ساخت مدارها استفاده می‌شود. بنابراین، این صنعت به یک زنجیره تأمین نیمه‌هادی بدون وقفه وابسته است که به نوبه خود نیازمند فرآیند تولید نیمه‌هادی بدون وقفه است.
فرآیند تولید قطعات نیمه هادی چگونه است؟
فرآیند تولید مدارهای مجتمع و دستگاه‌های نیمه‌هادی یکی از پیچیده‌ترین مراحل مهندسی است که شامل مراحلی دقیق و فنی است. در اینجا به نقاط کلیدی این فرآیند اشاره می‌کنیم:
- تولید ویفر: این مرحله با حرارت دادن سیلیکون پلی‌کریستالی خالص برای ذوب آن آغاز می‌شود. یک «بذر» جامد از سیلیکون به مایع فرو برده می‌شود و به آرامی از آن خارج می‌شود تا کریستال‌های سیلیکون شکل بگیرند. ویفرها پس از برش به ضخامت‌های بسیار کم صیقل داده و آماده می‌شوند.
- اکسیداسیون حرارتی: ویفرها در کوره‌های ایجاد اکسید قرار می‌گیرند تا لایه‌ای از سیلیکون دی‌اکسید روی سطح آنها تشکیل شود. این لایه به عنوان عایق و محافظت‌کننده عمل می‌کند.
- پوشش با فیلم حساس به نور: یک فیلم حساس به نور روی ویفر اعمال می‌شود و نور از طریق ماسکی که الگوهای مدار را مشخص می‌کند، بر روی آن تابانده می‌شود. این مرحله به الگوگذاری مدار کمک می‌کند.
- اچینگ: پس از سخت شدن الگو، نواحی غیرپوشیده با فیلم حساس به نور حذف می‌شوند تا الگوی نهایی روی ویفر باقی بماند. این یک مرحله بسیار حیاتی برای دقت تولید مدار است.
- دوپینگ: این فرآیند شامل افزودن مواد مختلفی مانند بور یا فسفر به سیلیکون است که ویژگی‌های الکتریکی آن را تغییر می‌دهد و باعث تولید نواحی مثبت (P) و منفی (N) می‌شود.
- تکرار مراحل: مراحل اکسیداسیون، پوشش، اچینگ و دوپینگ چندین بار تکرار می‌شود تا لایه‌های فعال تمامی مدارهای مجتمع ساخته شوند.
- اتصال و محافظت: اجزای مختلف با استفاده از رسوب‌های فلزی و عایق به هم متصل می‌شوند و یک لایه محافظ نهایی به مدار افزار افزوده می‌شود تا در برابر آسیب‌های محیطی محافظت کند.
این فرایند را می‌توان به عنوان یک هنر ترکیبی از علم و فناوری در نظر گرفت، چرا که به دقت، تمیزکاری و فناوری‌های پیشرفته نیاز دارد.
چه موادی برای ساخت قطعات نیمه‌هادی مورد نیاز است؟
در طول فرآیند پیچیده تولید نیمههادیها، از مواد متنوعی استفاده می‌شود. در زیر فهرستی از پرکاربردترین مواد در تولید تراشه‌ها آورده شده است:
- سیلیکون (Si): ماده اصلی و پایه صنعت نیمه‌هادی، استفاده از آن به دلیل قابلیت‌های الکترونیکی و خواص فیزیکی عالی است.
- آلیاژ ۴۲ و کُوار: این آلیاژها در تولید پایه‌های سربی (lead frames) مورد استفاده قرار می‌گیرند و به دلیل ویژگی‌های حرارتی و انبساط آنها اهمیت دارند.
- آلومینیوم (Al) و مس (Cu): هر دو برای اتصالات و سیم‌کشی اجزای الکترونیکی استفاده می‌شوند. مس به عنوان یک هادی برتر به کار می‌رود.
- آرسنید گالیم (GaAs): انتخاب مناسب برای کاربردهایی که نیاز به عملکرد بالاتری در دماهای بالا دارند، هرچند که چالش‌های خاص خود را نیز دارد.
- بور (B) و فسفر (P): به عنوان مواد دوپینگ برای ایجاد نیمه‌هادی‌های نوع P و N استفاده می‌شوند و به تنظیم ویژگی‌های الکتریکی سیلیکون کمک می‌کنند.
- سیلیکون دی‌اکسید (SiO2) و سیلیکون نیترید (Si3N4): این مواد به عنوان عایق در لایه‌های مدار مجتمع مورد استفاده قرار می‌گیرند و حفاظت از اجزا در برابر خطرات محیطی را فراهم می‌کنند.
- طلا (Au) و نقره (Ag): این فلزات برای اتصالات و افزایش هدایت حرارتی و الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این مواد، مهم‌ترین اجزای کلیدی در ساخت و طراحی مدارهای مجتمع و تراشه‌های پیشرفته هستند و هر یک نقش کلیدی در بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان این دستگاه‌ها ایفا می‌کند.
برترین تولیدکنندگان نیمه‌هادی
شرکت‌های نیمه‌هادی برای موفقیت در بازار رقابتی باید بیش از گذشته دسترسی به مواد تولیدی داشته باشند. برای موفقیت در این بازار، این شرکت‌ها باید به طور مداوم فرآیندهای تولید و استراتژی‌های بازاریابی خود را بهبود دهند و همزمان به جستجوی فناوری‌های جدید و بهبود عملکرد نیمههادیها بپردازند.
در حال حاضر، بزرگترین و موفق‌ترین شرکت‌های نیمه‌هادی شامل موارد زیر هستند:
- Avago Technologies: ارائه‌دهنده قطعات آنالوگ، ترکیبی-سیگنال و اپتوالکترونیکی.
- Intel Corporation: یکی از پیشگامان جهانی در نوآوری‌های سیلیکون.
- Micron Technology: شناخته شده برای اجزای DRAM، ماژول‌ها و حافظه فلش NAND.
- Nvidia: شرکت آمریکایی متخصص در پردازنده‌های گرافیکی و واحدهای سیستم-بر-روی-چیپ.
- Qualcomm: شرکت چندملیتی مستقر در ایالات متحده که در زمینه نیمههادیها برای صنعت مخابرات تخصص دارد.
- Samsung Electronics: متخصص در DRAM، SRAM، حافظه گرافیکی و ماژول‌های TFT LCD و سایر دستگاه‌ها.
- SK Hynix: شرکت کره‌ای که چیپ‌های حافظه فلش و حافظه تصادفی دینامیک (DRAM) را تأمین می‌کند.
- Texas Instruments: طراحی و فروش پردازنده‌های سیگنال دیجیتال، مدارهای مجتمع و دستگاه‌های پردازش نور دیجیتال.
- Toshiba: شرکت چندملیتی ژاپنی که بر روی دستگاه‌های ذخیره‌سازی حافظه، ترانزیستورها، دیودها، سنسورها، آرایه‌های ترانزیستوری، مدارهای تقویت‌کننده عملیاتی و مدارهای مقایسه‌گر تمرکز دارد.
- TSMC Semiconductor: شرکت تایوانی و پیشرو در تولید ویفر.
برترین تولیدکنندگان نیمههادیها ویژگی‌های مشترکی دارند؟
برترین و بزرگترین تولیدکنندگان نیمه‌هادی دو ویژگی مشترک دارند:
- وسعت فعالیت و تمرکز بر تحقیق و توسعه: این شرکت‌ها معمولاً شرکت‌های بزرگ و جامع هستند که به تحقیق و توسعه (R&D) به شدت متعهدند و این تعهد باعث می‌شود که از رقبا پیشی بگیرند. آنها به خوبی به نیازهای مشتریان فعلی خود پاسخ می‌دهند و در عین حال به دنبال فرصت‌های آینده و زمینه‌های در حال توسعه مانند هوش مصنوعی (AI) و اینترنت اشیا (IoT) هستند.
- ارزش‌گذاری بر تنظیم‌گری صنعت داخلی: شرکت‌های برتر نیمه‌هادی اهمیت زیادی به تنظیم‌گری داخلی صنعت می‌دهند، چرا که موفقیت و بهبود عملکرد در این بازار به مقیاس‌های نانومتری بستگی دارد. این نیاز به تنظیم‌گری دقیق برای آینده نیز اهمیت دارد، به ویژه در زمینه‌هایی مانند IoT که به شدت به تجهیزات نیمه‌هادی منحصر به فرد نیاز دارد و در حال حاضر تنظیم‌گری دقیقی ندارد. امید است که نیاز به تنظیم‌گری در صنعت نیمه‌هادی باعث حرکت IoT به سمت فرمت‌های استانداردتر شود.
شرکت‌های نیمه‌هادی با خط تولید گسترده چه شرکت‌هایی هستند؟
شرکت‌های نیمه‌هادی با خط تولید گسترده (broadline semiconductor companies) به تولید مجموعه‌ای از دستگاه‌ها برای استفاده در صنایع مختلف، به ویژه در بخش‌های خودرو، مخابرات و محصولات مصرفی، تمایل دارند و به جای تخصص در تولید دستگاه‌های ویژه برای یک بازار خاص، بر روی تولیدات متنوع تمرکز می‌کنند. این شرکت‌ها معمولاً به صورت شرکت‌های سهامی سازماندهی می‌شوند و به دلیل عدم تمرکز بر یک بازار خاص و تنوع در تولیدات، در مقایسه با بازار کلی عملکرد خوبی دارند.
از نمونه‌های موفق شرکت‌های نیمه‌هادی با خط تولید گسترده می‌توان به TSMC، Intel، Texas Instruments و Maxim Integrated Products اشاره کرد. شرکت Maxim Integrated Products، به ویژه، دامنه‌ای از محصولات آنالوگ، خطی و ترکیبی-سیگنال را تأمین می‌کند.
چالش‌های پیش روی سازندگان نیمه‌هادی ها
در حالی که صنعت نیمههادیها در حال آماده شدن برای بهبودی از عملکرد ضعیف خود در سال‌های گذشته است، باید به خاطر داشته باشیم که آینده همزمان با قابلیت‌های رشد، چالش‌هایی نیز به همراه دارد. مناقشه تجاری جاری بین چین و ایالات متحده ممکن است تأثیرات متعددی بر صنعت داشته باشد. علاوه بر این، نیاز به بهبود فرآیند تولید نیمههادیها و کاهش تأثیرات زیست‌محیطی چرخه‌های پایانی عمر دستگاه‌های نیمه‌هادی همچنان وجود دارد.
چالش‌های پیش روی سازندگان نیمه‌هادی از کجا نشأت می‌گیرد؟
چالش‌های پیش روی صنعت نیمه‌هادی متفاوت است. این چالش‌های ریشه‌های متفاوتی هم دارد. دو مورد مهم از این چالش‌ها به شرح زیر است:
- اختلاف تجاری چین و ایالات متحده: این اختلاف تأثیر قابل توجهی بر صنعت نیمه‌هادی دارد. هر دو کشور بازارهای بزرگی برای دستگاه‌های نیمه‌هادی هستند و مناقشه جاری ممکن است بر توانایی صنعت برای دسترسی به فلزات نادر تأثیر بگذارد. فلزات نادر در محصولاتی مانند موتورهای خودروهای برقی، دیسک‌های سخت، پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی و باتری‌های لیتیوم-یون، استفاده می‌شود. در حال حاضر، چین تولیدکننده اصلی فلزات نادر در جهان است. ممکن است دسترسی به منابع فلزات نادر را محدود کند تا به رقبای تجاری فشار بیاورد. این محدودیت می‌تواند منجر به کمبود شود که بر زنجیره تأمین صنایع نیمه‌هادی و الکترونیک تأثیر بگذارد. برخی شرکت‌ها به دلیل نگرانی از کمبود احتمالی، در حال ذخیره‌سازی فلزات نادر هستند.
- تأثیرات زیست‌محیطی تولید نیمه‌هادی: فرآیند تولید نیمههادیها می‌تواند به آلودگی آب‌های زیرزمینی و هوا منجر شود. این مسائل سؤالات پایداری را به وجود می‌آورند. به ویژه هنگامی که با چالش‌های بازیافت مقادیر بسیار کم از مواد نیمه‌هادی در پایان عمر یک دستگاه ترکیب می‌شوند. با این حال، باید توجه داشت که با وجود آلودگی‌های صنعتی، تولیدکنندگان نیمه‌هادی در ایالات متحده نسبت به نرخ ملی بیماری‌های شغلی یک‌سوم کمتر دارند.
فناوری چگونه طراحی و ساخت نیمه هادی‌ها را متحول می کند؟
- فشار مالی ناشی از کوچک‌سازی: تقاضا برای کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها فشار مالی زیادی بر تیم‌های تحقیق و توسعه صنعت وارد کرده است. هزینه طراحی مدارهای مجتمع از ۳۰ میلیون دلار برای مدارهای ۲۸ نانومتری به ۸۰ میلیون دلار برای مدارهای ۱۴ نانومتری افزایش یافته است. انتظار می‌رود این هزینه به ۱۲۰ میلیون دلار برای دستگاه‌های ۱۰ نانومتری برسد. این هزینه‌های بالا صنعت را تحت فشار قرار داده است تا روش‌های مقرون‌به‌صرفه‌تری برای مواجهه با کوچک‌سازی پیدا کند.
- استفاده از سیستم در یک چیپ (SoC): یکی از راه‌های کاهش هزینه‌ها و بهینه‌سازی عملکرد، استفاده از فناوری «سیستم در یک چیپ» (System on a Chip) است. این فناوری به ادغام تمام یا بیشتر عملکردهای یک دستگاه در یک چیپ واحد کمک می‌کند. که به نوبه خود فضای اشغال شده را کاهش داده و عملکرد را به حداکثر می‌رساند.
این تحولات فناوری به صنعت نیمه‌هادی کمک می‌کند تا با چالش‌های مالی و فناورانه ناشی از روند کوچک‌سازی مقابله و به پیشرفت خود ادامه دهد.
راه‌حل‌های موفقیت در صنعت نیمه‌هادی چیست؟
- ادغام فناوری‌های IoT و AI: استفاده از کاربردهای اینترنت اشیا (IoT) و هوش مصنوعی (AI) در فرآیند تولید کمک می‌کند تا شرکت‌های نیمه‌هادی از تحلیل داده‌ها برای کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری اسفتاده کنند. این تحلیل‌ها بر بهینه‌سازی روش‌های طراحی و تولید متمرکز هستند و پیش‌بینی می‌شود که در آینده تأثیر قابل توجهی بر مدیریت مهندسی و فرآیندهای تصمیم‌گیری داشته باشند.
- حرکت به سمت عصر شناختی (Cognitive Age): استفاده از هوش مصنوعی نشان‌دهنده حرکت کلی به سمت «عصر شناختی» است. جایی که حسگرها تصمیمات تولید و فرآیندهای تولید را بر اساس ادراک ماشینی اتخاذ می‌کنند. این رویکرد می‌تواند به بهبود تصمیم‌گیری و طراحی از طریق تحلیل‌های پیشرفته و اتوماسیون هوشمند کمک کند.
- پذیرش فناوری‌های نوین: با اتخاذ بهترین شیوه‌های IoT و AI، شرکت‌ها می‌توانند بهبود‌های بیشتری در طراحی، تولید و فرآیندهای تصمیم‌گیری خود اعمال کنند. این فناوری‌ها می‌توانند به بهینه‌سازی عملیات، کاهش زمان تولید، و بهبود کیفیت محصولات کمک کنند.
این راهکارها به شرکت‌های نیمه‌هادی کمک می‌کند تا در محیط رقابتی و در حال تحول صنعت موفق باشند. در عین حال به بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها دست یابند.
