2017年注定是一個(gè)半導(dǎo)體FAB廠雨后春筍一般建設(shè)的高產(chǎn)年，不說(shuō)北上廣等熱門(mén)地方，光說(shuō)四川今年就傳言有3個(gè)12寸的FAB上馬。究其原因一個(gè)是2016產(chǎn)能的不足，以及對(duì)2017市場(chǎng)的樂(lè)觀判斷，另外地方政府和集成電路產(chǎn)業(yè)大咖一拍即合的WIN－WIN利益，誰(shuí)不愿在此時(shí)推上一把。

話說(shuō)回來(lái)，建一個(gè)新工廠意味著時(shí)間、金錢(qián)和公司資源上的巨大投入。整個(gè)公司的成功與否有可能取決于這個(gè)新工廠的投資回報(bào)率（ROI）。要實(shí)現(xiàn)ROI的最大化，需在多個(gè)因素之間進(jìn)行權(quán)衡，從最初的工廠設(shè)計(jì)到后來(lái)的生產(chǎn)上量階段。

總的說(shuō)來(lái)，工廠規(guī)劃和建設(shè)始于一般性問(wèn)題，然后才是具體細(xì)節(jié)。在開(kāi)始階段，設(shè)計(jì)人員必須了解這家工廠每個(gè)月將生產(chǎn)多少晶圓片、這些晶圓片的尺寸是多少，以及采用什么設(shè)計(jì)規(guī)則和工藝技術(shù)。但是，生產(chǎn)量、晶圓片尺寸和工藝技術(shù)的最佳組合取決于工廠開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)的市場(chǎng)狀況，而此時(shí)距離當(dāng)初的工廠規(guī)劃往往已經(jīng)過(guò)去了很長(zhǎng)時(shí)間。

何時(shí)建廠

從建一家工廠到生產(chǎn)上量需要兩年多的時(shí)間。然而，技術(shù)上的飛躍大約每18個(gè)月就有一次，半導(dǎo)體銷售的高峰每24～36個(gè)月出現(xiàn)一次。對(duì)于兩年以后的未來(lái)而言，不管是技術(shù)路演還是市場(chǎng)預(yù)測(cè)都是不足為據(jù)的。如果生產(chǎn)的產(chǎn)品其技術(shù)已進(jìn)入衰退，則會(huì)給公司的財(cái)務(wù)狀況帶來(lái)災(zāi)難性的后果。

DRAM產(chǎn)業(yè)以產(chǎn)量規(guī)劃問(wèn)題而著名。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)DRAM的價(jià)格在一段時(shí)間里保持穩(wěn)定或持續(xù)走高且需求旺盛時(shí)，會(huì)有很多工廠如雨后春筍般地冒出來(lái)。第一批新工廠加入供應(yīng)商的行列后，造成供應(yīng)源的增加和價(jià)格的下降；而后期開(kāi)設(shè)的工廠則面臨著更加嚴(yán)酷的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。1996年～1997年，存儲(chǔ)器的售價(jià)跌到了其生產(chǎn)成本以下，2001年再度出現(xiàn)這種情況。

這些巨大的金融風(fēng)險(xiǎn)告誡人們要采取相對(duì)保守的投資方案。不過(guò)，在擴(kuò)產(chǎn)投資上保持積極策略的公司能夠在需求增長(zhǎng)時(shí)更加迅速地把產(chǎn)品投放到市場(chǎng)上去。生產(chǎn)能力較大的DRAM供應(yīng)商就可以利用市場(chǎng)價(jià)格的波動(dòng)為自己謀利。生產(chǎn)能力有助于高附加值芯片（如微處理器）供應(yīng)商從價(jià)格中獲得額外的利潤(rùn)。

相反，不能滿足需求的芯片供應(yīng)商則有可能失去眼前及未來(lái)的定單。而定單的減少反過(guò)來(lái)又會(huì)限制今后的資金支出和公司的成長(zhǎng)發(fā)展。

英特爾公司之所以連續(xù)不斷地取得成功，原因之一就是它能夠根據(jù)市場(chǎng)狀況的好壞隨時(shí)建立起自己的生產(chǎn)能力。通過(guò)哪怕是在市場(chǎng)衰退的情況下做出的投資，該公司幾乎總能夠在市場(chǎng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)擁有居于優(yōu)勢(shì)地位的生產(chǎn)能力。

技術(shù)的不斷發(fā)展也使生產(chǎn)能力的規(guī)劃變得更加復(fù)雜。更富有進(jìn)取精神的設(shè)計(jì)規(guī)則能夠在更小的封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的性能，而且單位成本通常更低。更高的性能可以從價(jià)格中獲得額外的利潤(rùn)。對(duì)一家技術(shù)先進(jìn)的工廠來(lái)說(shuō)，它最初的18個(gè)月是盈利狀況最好并能迅速掙回初期投資的階段。而采用相對(duì)陳舊的技術(shù)的工廠就不能從價(jià)格中贏得額外利潤(rùn)。而且，與更為先進(jìn)的工廠相比，其成本上的劣勢(shì)也是一個(gè)現(xiàn)實(shí)情況。

然而，技術(shù)上的飛躍同樣也會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。新的制造工具有可能滿足不了計(jì)劃交貨期的要求、不能立即滿足批量生產(chǎn)的要求或不能產(chǎn)生期望的工藝性能。技術(shù)上的滯后會(huì)使工廠喪失重要的市場(chǎng)。一家公司越是靠近技術(shù)前沿，技術(shù)上的風(fēng)險(xiǎn)就越大。對(duì)許多公司來(lái)說(shuō)，結(jié)盟或建立合資企業(yè)有助于降低商業(yè)和技術(shù)上的風(fēng)險(xiǎn)。

建什么工廠

通過(guò)平衡期望的市場(chǎng)機(jī)會(huì)和商業(yè)及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)劃人員做出了工廠的初步設(shè)計(jì)規(guī)劃。該規(guī)劃對(duì)工廠的生產(chǎn)能力進(jìn)行了估算，而此生產(chǎn)能力反過(guò)來(lái)又決定了設(shè)備的數(shù)量、晶圓片儲(chǔ)存空間和潔凈室的大小。這些決定使得廠主能夠制定預(yù)算并開(kāi)始工廠框架的設(shè)計(jì)和建設(shè)。

晶圓片的尺寸對(duì)廠房面積和最終的生產(chǎn)能力具有顯著的影響。按Dongbu Electronics公司的Peter Hillen的說(shuō)法：每月30000只300mm晶圓片的初始生產(chǎn)能力至少相當(dāng)于每月45000只200mm晶圓片的初始生產(chǎn)能力。300mm晶圓片工廠能夠支持大得多的產(chǎn)品需求，而且事實(shí)上對(duì)獲得可接受的投資回報(bào)率有著更高的需求。

采用300mm晶圓片的工廠需要大得多的初期投資，特別是在相對(duì)不太成熟的自動(dòng)化和晶圓片軌道傳輸系統(tǒng)（Wafer Tracking System）上。雖然從理論上講，晶圓片的尺寸越大每塊芯片的成本就越低，但何時(shí)這些成本上的節(jié)省能夠在所有的產(chǎn)品上成為現(xiàn)實(shí)尚不清楚。制造廠有可能發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小批量而言，較大尺寸的晶圓片很難做到經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。

如何建廠

在決定了建一個(gè)什么類型的工廠之后，公司必須決定將它建在何處。

比如，金屬版印刷設(shè)備要求對(duì)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行仔細(xì)的分析和控制，因此高速公路、機(jī)場(chǎng)和鐵路會(huì)使人覺(jué)得工廠選址不合適選址或要求更復(fù)雜的防震措施。與此同時(shí)，建筑隊(duì)伍和工廠的雇員都需要高速公路或其他交通基礎(chǔ)設(shè)施。而且，工廠今后的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)也有相同的要求。震動(dòng)分析必須考慮工廠自身產(chǎn)生的條件。DPR Construction公司的項(xiàng)目經(jīng)理Bart Rogers認(rèn)為：隔震往往是建設(shè)階段最耗時(shí)最花錢(qián)的部分。

同樣，工廠的能源和水資源消耗也對(duì)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生了巨大的壓力。穩(wěn)定的能源和充足的水資源獲得將決定需要什么樣的現(xiàn)場(chǎng)水凈化和動(dòng)力設(shè)施。Rogers說(shuō)，由于當(dāng)?shù)毓迷O(shè)施方面的問(wèn)題而導(dǎo)致的新建工廠計(jì)劃被取消或重新選擇廠址的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。

工藝設(shè)計(jì)

鑒于上述的技術(shù)和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)人員總是盡可能地把工藝上的決策往后推。隨著工廠框架的逐步成形，這些決策的做出變得日益緊迫。尤其對(duì)先進(jìn)的金屬版印刷設(shè)備而言，在高速成長(zhǎng)期，從設(shè)計(jì)到投資的時(shí)間有可能需要整整一年，而工廠框架建設(shè)可能只需短短的6個(gè)月。

其它工藝可能對(duì)設(shè)施有著獨(dú)特的要求。比如，許多工廠將銅和CMP區(qū)域與潔凈工藝隔離開(kāi)來(lái)。這影響到了隔墻的設(shè)置、通風(fēng)及其它的潔凈室基礎(chǔ)設(shè)施。盡管先進(jìn)的微處理器依賴于銅線互連，但銅還不是一種適合于所有應(yīng)用的金屬。在很多場(chǎng)合，鋁仍然提供了更低的成本、更好的產(chǎn)出和合適的性能。

工廠的布局總體上取決于設(shè)備生產(chǎn)率與循環(huán)時(shí)間（Cycle Time）之間的權(quán)衡折衷。Tower Semiconductor公司一家工廠的經(jīng)理Ron Niv說(shuō)：把所有的防濕工作臺(tái)（Wet Bench）和蝕刻系統(tǒng)放在一起有利于改進(jìn)工作量的平衡和設(shè)備的生產(chǎn)率。然而，這種緊密擺放的方法容易導(dǎo)致循環(huán)周期的延長(zhǎng)，因?yàn)榫A片需要在各工序之間傳送很長(zhǎng)的距離。根據(jù)工藝流程有序安放，可以改進(jìn)較少生產(chǎn)大批量產(chǎn)品的工廠的循環(huán)時(shí)間。但對(duì)于小批量產(chǎn)品生產(chǎn)較多、工藝經(jīng)常變化的工廠而言則沒(méi)有這種必要。布局的決策反過(guò)來(lái)又控制了廠房設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，特別是設(shè)備的定位和設(shè)備連結(jié)（Equipment Hookups）的設(shè)計(jì)。

設(shè)備安裝

Applied Materials公司的Kirby Hicks認(rèn)為：典型的工廠項(xiàng)目在建設(shè)階段和設(shè)備安裝階段之間有一條明顯的分界線。經(jīng)濟(jì)的建設(shè)方法是從廠房的一個(gè)部分到下一個(gè)部分成組地進(jìn)行公用管線的布局和安裝，并在開(kāi)始設(shè)備連結(jié)之前完成。不過(guò)，對(duì)于整個(gè)工廠的成本而言，公用管線設(shè)施的建設(shè)只是其中較小的一部分，設(shè)備和安裝占到了70％～80％。設(shè)備一旦抵達(dá)，廠主的投資將直線上升。為使ROI最大化，廠主希望縮短從設(shè)備安裝到生產(chǎn)首批產(chǎn)品之間的時(shí)間間隔。

Hicks解釋說(shuō)：與此同時(shí)，工廠不必待其所有設(shè)備均安裝到位之后再開(kāi)始工藝的制訂工作。通常情況下，設(shè)備安裝完畢之后可能幾個(gè)星期都閑置在那里。工藝師們則在忙于其他事情。對(duì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，在幾個(gè)星期的時(shí)間里將設(shè)備陸續(xù)運(yùn)抵工廠并予以安裝（而不是讓供應(yīng)商按照自己過(guò)于緊迫的時(shí)間表匆忙安裝）可能是一種比較經(jīng)濟(jì)的方法。較好的做法是首先把生產(chǎn)所需的關(guān)鍵設(shè)備安裝到位，然后再回頭去完成剩下的設(shè)備連結(jié)。這種看似“漫無(wú)目標(biāo)”（scattershot）的方法雖然增加了建設(shè)階段的成本，但卻有可能減少設(shè)備增加產(chǎn)量所需的時(shí)間，并制定出在節(jié)約成本方面更為有效的設(shè)備購(gòu)置時(shí)間表。

批準(zhǔn)的延誤、設(shè)備連結(jié)不全以及類似的問(wèn)題會(huì)影響到整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度和預(yù)算。例如，安裝隊(duì)到達(dá)后發(fā)現(xiàn)工廠尚未做好安裝設(shè)備的準(zhǔn)備，于是他們要么無(wú)事可做地傻等，要么只好先行返回以待問(wèn)題得到糾正。通過(guò)平衡設(shè)備安裝工作量，工廠可首先避免這種錯(cuò)誤并在錯(cuò)誤確實(shí)發(fā)生時(shí)將其影響降到最低程度。工廠可在安裝隊(duì)出發(fā)之前確認(rèn)安裝準(zhǔn)備工作業(yè)已就緒。分步安裝可使供應(yīng)商在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)只在現(xiàn)場(chǎng)保留一支小規(guī)模的安裝隊(duì)。

生產(chǎn)上量（Production Ramp）

一旦用于制造測(cè)試芯片的設(shè)備安裝就位，工廠即開(kāi)始工藝認(rèn)證。很多工廠采用SRAM電路作為測(cè)試工具。但是，SRAM作為一種標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)單元陣列對(duì)于具有典型的隨機(jī)分布特征（Random Distribution Feature）的微處理器或系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）電路來(lái)說(shuō)可能不是一個(gè)好的測(cè)試模型。很多潛在的工藝問(wèn)題均與布局有關(guān)?；瘜W(xué)機(jī)械平面化（Chemical Mechanical Planarization，CMP）中的凹陷和浸蝕、金屬版印刷的光學(xué)近似效應(yīng)（Optical Proximity Effects）、蝕刻負(fù)載（Etch Loading）以及許多其他的工藝特性都隨著特征密度（Feature Density）而改變。過(guò)程工藝（Via Process）取決于主要層的特性，以及其本身的布局 堆棧式（stacked）或非堆棧式（unstacked）。

PDF公司的解決方案未采用SRAM測(cè)試工具，而是采用了一套短回路測(cè)試模塊以隔離電路的不同區(qū)域。一個(gè)單晶圓片可能包含了用于堆棧式或非堆棧式過(guò)程工藝的測(cè)試工具、密集和稀疏陣列等等。在完成了整個(gè)工藝的適當(dāng)分段之后，工廠即可開(kāi)始加工測(cè)試工具。

隨著工藝向更高的生產(chǎn)能力邁進(jìn)，測(cè)試工具表明哪些故障更為常見(jiàn)以及工廠應(yīng)著力改進(jìn)哪些工藝。把該信息與正在制造的特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)考慮會(huì)更有用處。PDF公司的Dave Joseph介紹說(shuō)，一家客戶公司每十億個(gè)的堆棧式過(guò)程工藝發(fā)生了500次故障，每十億個(gè)非堆棧式過(guò)程工藝只發(fā)生了15次故障。然而，非堆棧式過(guò)程工藝對(duì)產(chǎn)量的影響更大，因?yàn)橹圃霺OC設(shè)計(jì)的工廠只采用了極少的堆棧式過(guò)程工藝。

產(chǎn)量影響因素矩陣也對(duì)可制造性的設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)方案。例如，采用許多小存儲(chǔ)區(qū)的SOC設(shè)計(jì)不能容許很多的存儲(chǔ)器故障。在每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置冗余單元會(huì)大大增加整個(gè)電路的面積。但是，設(shè)計(jì)師可通過(guò)放寬位單元設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)更有效地提高存儲(chǔ)器的產(chǎn)量。相反地，只有幾個(gè)大存儲(chǔ)區(qū)的芯片可以在采用更為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則的條件下，通過(guò)增加冗余單元來(lái)提高存儲(chǔ)器的產(chǎn)量，而電路板的面積不會(huì)有太大的增加。

Applied Materials公司估計(jì)：在工廠生產(chǎn)上量期間，每星期多生產(chǎn)300個(gè)晶圓片，對(duì)工廠而言就意味著增加675000美元的年收入。工廠越早達(dá)到其滿設(shè)計(jì)能力，就能夠越快地進(jìn)入投資回收階段，也就越有可能獲得更多的利潤(rùn)。

可以把工廠的建設(shè)形容為一個(gè)沒(méi)有賭注限額的牌桌，選手們必須不斷地增加賭注，否則將被淘汰出局?？焖俚陌l(fā)展軌道設(shè)計(jì)、高效的建設(shè)以及產(chǎn)量的迅速提高將有助于贏得一種平衡。