Nền kinh tế kỹ thuật số lên ngôi kéo theo vai trò của vật liệu bán dẫn, vi mạch bán dẫn càng được đẩy mạnh và mang lại tiềm năng phát triển vượt trội cho ngành công nghiệp này. Trên thực tế, vật liệu bán dẫn là sản phẩm được giao dịch nhiều thứ 4 trên thế giới, và được coi như hạt nhân của ngành công nghiệp điện tử hiện đại nói chung. Vậy làm thế nào để chip bán dẫn đi từ lý thuyết, đến sản phẩm thành hình và tới tay người tiêu dùng? Đó là quy trình trọn gói được gọi là Chuỗi cung ứng bán dẫn.
Tổng quan về bán dẫn và chuỗi cung ứng bán dẫn
Một thiết bị bán dẫn, hay còn gọi là mạch tích hợp (IC – Integrated Circuit)/ vi mạch hoặc chip; là một mạch tích hợp chứa nhiều mạch nhỏ hơn bao gồm hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor), điốt, tụ điện, điện trở,…; tất cả được gói gọn trong một vài mm vuông silicon (chất bán dẫn). Vi mạch là thành phần quan trọng được ví như mạch máu ở bên trong các thiết bị điện tử, mỗi loại chip sẽ có một chức năng khác nhau, nhưng đều có thể tác động đến nhiều thành phần khác bên trong thiết bị, nhằm tối ưu xử lý và vận hành sản phẩm.
Bởi vậy, vi mạch hiện hữu xung quanh chúng ta, từ điện thoại thông minh, tai nghe không dây, máy tính xách tay đến xe máy điện, ô tô điện, thiết bị y tế, và thậm chí trong hệ thống nhà thông minh. Trước khi được đưa vào bên trong các thiết bị điện tử, các thành phần cấu tạo nên vi mạch bán dẫn đã phải trải qua một hành trình kéo dài tới vài tháng, và di chuyển quãng đường lên tới 40.000 km trong quy trình mang tên “Chuỗi cung ứng bán dẫn”.
Chuỗi cung ứng vi mạch bán dẫn đề cập đến mạng lưới các công ty tham gia thiết kế, sản xuất, thử nghiệm, đóng gói và phân phối. Chuỗi cung ứng này rất phức tạp, liên quan đến sự phối hợp của một số giai đoạn khác nhau, từ tìm nguồn cung ứng các bộ phận và nguyên vật liệu đến bán hàng cho người dùng cuối cùng.
Quy trình chuỗi cung ứng bán dẫn
Giai đoạn 1: Thiết kế vi mạch
Là giai đoạn đầu tiên trong chuỗi cung ứng chip, thiết kế vi mạch (Integrated circuit design) là quá trình tạo ra các mạch tích hợp trên một chip bán dẫn. Giai đoạn thiết kế chiếm 50-60% giá trị của một con chip thành phẩm. Các vi mạch tích hợp này có thể chứa hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ thành phần điện tử như bóng bán dẫn (transistor), điện trở, tụ điện, và nhiều thành phần khác trên một con chip nhỏ.
Trong giai đoạn này, các kỹ sư triển khai chọn lựa có hệ thống những phần tử điện tử mà khi kết nối lại với nhau. Chúng có thể thực hiện những chức năng có ích, được định nghĩa theo nhu cầu. Mạch điện được thiết kế ra ưu tiên việc sử dụng số lượng phần tử ít nhất có thể với giá thành vừa phải, có kích thước tối giản, có độ tin cậy cao, và ổn định với nhiều điều kiện môi trường khác nhau. FPT Semiconductor đảm nhiệm bước đầu của chuỗi cung ứng chip, tạo ra bản thiết kế, là phần hồn của con chip, chứa đựng trong đó là chất xám và thành quả lao động.
Một số khía cạnh quan trọng về thiết kế vi mạch:
- Lĩnh vực thiết kế: Kỹ thuật số (Digital IC design) và tương tự (Analog IC design). Kỹ thuật số xử lý tín hiệu dưới dạng số hóa (mức tín hiệu thay đổi giữa hai trạng thái có “1” và không có “0”), trong khi kỹ thuật tương tự xử lý tín hiệu dưới dạng liên tục (mức tín hiệu thay đổi giữa các trạng thái biến thiên liên tục).
- Quá trình thiết kế vi mạch: Bao gồm nhiều bước, bắt đầu từ việc xác định yêu cầu của sản phẩm và các tính năng cần thiết. Sau đó, các kỹ sư thiết kế sẽ sử dụng các công cụ và phần mềm để tạo ra sơ đồ mạch, mô phỏng, và kiểm tra hiệu suất của mạch.
- Phần mềm thiết kế: Một số công cụ có thể kể đến như Cadence, Synopsys, Mentor Graphics và nhiều phần mềm khác được sử dụng trong thiết kế vi mạch. Chúng cho phép kỹ sư mô phỏng mạch, và tạo ra bản thiết kế mạch thực tế, kiểm tra và đánh giá để đảm bảo rằng mạch hoạt động đúng và đáp ứng các yêu cầu của sản phẩm.
Giai đoạn 2: Chế tạo (Sản xuất wafer)
Giai đoạn tiếp theo trong trong chuỗi cung ứng vi mạch là chế tạo vật lý vi mạch trên nền wafer. Tấm wafer được cắt từ vật liệu bán dẫn rất tinh khiết là Silicon, có thành phần chính từ Silic hay còn gọi là Cát. Thiết bị này được sử dụng với tư cách là vật liệu nền để sản xuất vi mạch tích hợp sau khi trải qua một loạt các bước sản xuất đặc thù:
Chuẩn bị wafer – Xử lý bề mặt wafer – Oxi hóa – Khuếch tán – Quang khắc – Cấy ion – Ăn mòn – Làm sạch wafer – kiểm tra các thông số – Hàn dây – Hàn chip lên đế.
Giai đoạn 3: Đóng gói
Các con chip sau quá trình chế tạo ở giai đoạn 2 được xếp lớp và lắp ráp thành các gói có thể gắn trên bảng mạch, sau đó phải trải qua khảo sát, đánh giá ở các điều kiện điện và nhiệt độ khác nhau trước khi mang đi tích hợp (lắp ráp) vào sản phẩm.
Giai đoạn 4: Tích hợp & Tiêu thụ
Sau khi đóng gói, các nhà sản xuất thiết bị và điện tử tích hợp chip vào các mạch điện tử để tạo ra sản phẩm cuối cùng cho người tiêu dùng. Sản phẩm cuối cùng được chuyển đến các công ty, nhà bán lẻ và người tiêu dùng trên toàn thế giới với nhiều mục đích sử dụng khác nhau, hoàn thành giai đoạn cuối cùng trong chu trình chuỗi cung ứng chip.
Dù kích thước chỉ vài mm vuông là vậy, nhưng với vai trò hỗ trợ đặc biệt quan trọng, vi mạch vẫn đòi hỏi quy trình chuỗi cung ứng bán dẫn bài bản, đáp ứng tính chính xác, khả thi, thực tế cao trước khi được chuyển tới tay người tiêu dùng.