Actualizado a: 19 de enero de 2024
WSPM es una unidad de medida bastante conocida en el sector de los semiconductores, para indicar la capacidad de producción de las foundries o fábricas de chips. Sin embargo, mucho de los usuarios de equipos electrónicos que usan estos chips no conocen qué es ni cómo les puede afectar al precio final y al stock o inventario de estos productos tecnológicos…
¿Qué es un wafer?
Un wafer semiconductor, también conocido como oblea, es un sustrato delgado y plano que generalmente está hecho de silicio (Si) cristalino o materiales semiconductores similares. Estos wafers son la base sobre la cual se fabrican los circuitos integrados y otros dispositivos electrónicos semiconductores en la industria de la microelectrónica.
Aquí hay algunas características clave de los wafers semiconductores:
- Material: los wafers están hechos principalmente de silicio monocristalino, aunque también se utilizan otros materiales semiconductores como el silicio policristalino para placas fotovoltaicas o solares, el arseniuro de galio (GaAs) y el carburo de silicio (SiC), dependiendo de la aplicación específica. Para los chips generalmente están fabricados en silicio monocristalino.
- Tamaño: vienen en diferentes tamaños, siendo el estándar más común de 300 mm (12 pulgadas) de diámetro en la actualidad. También se utilizan tamaños más pequeños, como 200 mm (8 pulgadas) y 150 mm (6 pulgadas), especialmente en tecnologías de fabricación más antiguas.
- Grosor: suelen ser muy delgados, generalmente con un grosor de alrededor de 0.7 mm o menos. Dependerá de la finalidad y del tamaño o diámetro del wafer, ya que varía. Además, también cambiará el peso de estos elementos.
- Superficie: la superficie de un wafer es extremadamente plana y se procesa con gran precisión. Esto es esencial para la fabricación de microchips, ya que cualquier irregularidad podría afectar negativamente la calidad de los circuitos.
Para fabricar un wafer se parte de un cristal semilla puro crecido con una orientación cristalina particular, y éste se mete en un crisol con silicio puro fundido (o dopado) y mediante un proceso de crecimiento llamado czochralski, se crece a un gran lingote o cilindro monocristalino. Luego se corta en rodajas u obleas individuales y se somete a varios procesos de esmerilado de los bordes, pulido superficial, etc.
Durante el proceso de fabricación, los wafers se someten a varios procesos de fabricación, como la epitaxia, la difusión, la implantación iónica y la litografía, para crear capas de materiales y patrones que forman los componentes electrónicos en su superficie.
Los wafers semiconductor son esenciales en la producción de circuitos integrados (chips), dispositivos electrónicos y sensores semiconductores utilizados en una amplia gama de aplicaciones, desde computadoras y teléfonos móviles hasta automóviles, electrodomésticos y equipos médicos, entre otros. Su alta precisión y calidad de fabricación son fundamentales para garantizar el rendimiento y la confiabilidad de los productos electrónicos modernos.
¿Qué es WSPM (Wafer Starts Per Month)?
Cada año, en todo el mundo se producen millones de obleas que albergan una variedad de chips, aprovechando las capacidades de fabricación de diversas fundiciones disponibles en la actualidad. Las fundiciones más grandes, como las instalaciones de TSMC, pueden alcanzar tasas de producción por oblea (WSPM) sorprendentemente altas, superando las expectativas de muchos.
Además, estas instalaciones suelen especializarse en la producción de obleas de un tamaño específico y en un nodo de fabricación determinado. Por ejemplo, las instalaciones que se dedican a los procesos más avanzados, como los de 7 nm, 5 nm, 3 nm, entre otros, generalmente utilizan obleas de 12 pulgadas, lo que equivale a discos de 300 mm de diámetro, en los cuales es posible fabricar cientos de chips. Por otro lado, existen otras instalaciones dedicadas a obleas de 200 mm y procesos de fabricación de 20 nm, 65 nm, etc., que todavía se utilizan para la producción de una amplia gama de chips menos complejos.
¿Cuántas obleas se fabrican?
Para darte una idea, TSMC ha incrementado significativamente su capacidad de producción de obleas de 5 nm, pasando de alrededor de 55.000 a 60.000 WSPM (wafers por mes) a un impresionante total de 120.000 WSPM. Además, están planeando la construcción de una nueva fábrica en Estados Unidos, específicamente en Arizona. Esta planta estará enfocada en nodos de 5 nm y podría tener una capacidad de producción de hasta 100.000 WSPM.
Tomando a TSMC como ejemplo, la producción de chips de 3 nm, 4 nm y 5 nm se espera que alcance las 150.000 WSPM en el tercer trimestre de este mismo año, lo que es una tasa de producción muy elevada.
Como puedes imaginar, la capacidad de producción de TSMC es extraordinaria, lo que la convierte en la fundición más grande del mundo, responsable de fabricar la gran mayoría de los chips complejos que se requieren en la actualidad. Además de sus instalaciones, existen otras fábricas en diferentes partes del mundo, como la ubicada en Japón, que utiliza obleas de 300 mm y una variedad de nodos, con una capacidad de producción de alrededor de 8.000 WSPM.
¿Cuántos chips contiene una oblea?
La cantidad de chips que puede contener un wafer depende de varios factores, incluyendo el tamaño del wafer, el tamaño y la complejidad de los chips individuales, y el proceso de fabricación utilizado. A continuación, te proporcionaré una estimación general basada en wafers de 300 mm de diámetro, que es el tamaño estándar más común en la industria de la microelectrónica más avanzada (no obstante, muchos chips más simples, como los usados en ciertos aparatos eléctricos, vehículos, etc., usan nodos más atrasados y obleas más pequeñas, como las de 250mm):
- Chips grandes y complejos: si los chips son grandes y altamente complejos, es posible que solo haya unos pocos en un wafer. En algunos casos, podría ser solo uno. Por ejemplo, algunos SoCs realmente grandes o ciertos elementos muy complejos como los de Cerebras son ejemplos de un solo chip por wafer.
- Chips medianos: en el caso de chips de tamaño mediano, podría haber varios cientos en un solo wafer, dependiendo de la distribución y el diseño de los chips en la superficie del wafer. Generalmente, si nos referimos a chips como una CPU o GPU, podríamos tener hasta 300 chips por cada oblea, aunque no todos serían funcionales (véase yield y binning).
- Chips pequeños y simples: si los chips son pequeños y relativamente simples, como los microcontroladores o chips de memoria, es posible que haya miles en un wafer. Esto es el caso de algunos chips de memoria flash NAND, memorias SDRAM, etc. También se incluyen aquí algunos sensores, y dispositivos semiconductores pequeños.
Es importante destacar que durante el proceso de fabricación, los chips en un wafer se producen en paralelo, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos de producción. Además, las áreas defectuosas o dañadas del wafer se pueden identificar y eliminar durante el proceso de control de calidad, lo que puede afectar la cantidad final de chips utilizables en un wafer. Por lo tanto, la cantidad exacta de chips en un wafer puede variar según varios factores, y estas cifras son aproximadas y pueden cambiar con el tiempo a medida que avanza la tecnología de fabricación.
