芯片行业正在蓬勃发展。虽然电子产品和人工智能的普及对晶圆厂的销售来说是个好消息，但也带来了一些挑战。最值得注意的是，优化半导体制造的压力比以往任何时候都大。
半导体制造非常复杂，因此过程中经常会出现瓶颈和错误。但是，您可以通过采用一些前瞻性技术来克服这些障碍并满足日益增长的期望。
很少有创新能像人工智能一样对半导体行业产生如此大的影响。该行业目前的大部分需求都来自于这项技术，但芯片制造商本身也可以利用它来优化生产。
尤其是在设计阶段，人工智能的应用可以带来显著的改进。一些制造商已经尝试利用机器学习重新设计芯片，仅需一名工程师10天时间就可以完成原本需要10名工程师几个月的时间完成的工作。同样，人工智能也能在短短六小时内生成半导体平面图，而无需数周时间。
芯片设计通常既缓慢又容易出错，因为它需要关注多个参数，而且微小的变化都可能产生巨大的影响。虽然这对人类来说很困难，但复杂的推理正是人工智能最擅长的地方。因此，使用人工智能辅助设计工具可以大大简化早期阶段的工作。
您可以通过自动化其他容易出错的工作流程来进一步优化半导体生产。员工失误是制造过程中停机和瓶颈的最主要原因之一，因此最大限度地减少员工失误的机会将产生巨大的效果。然而，自动化也必须灵活。
虽然机器人可以比人类更准确地执行机械加工和元件放置等重复性任务，但它们并不完美，任何工艺偏差或意外情况都会抵消它们的精度。因此，半导体工厂必须使用自动化和人员来维持生产。
让工人在自动化流程之前确保正确的对齐或校准是一个很好的第一步。部署具有物联网(IoT)连接的机器人也大有裨益，这样它们就可以响应实时数据。此类技术会增加初始成本，但由此产生的灵活性将通过减少停机时间来弥补这一不足。
值得关注的一项具体自动化技术是3D打印。现在增材制造已经发展到可以打印电路的程度了，这对半导体制造来说是一个很有前景的解决方案。
3D打印机可以直接将导电细丝铺设到晶圆上，而无需蚀刻和填充通道。除了将两个步骤合并为一个步骤外，这种方法还通过消除摩擦和消除精确对准的需要来最大限度地减少错误。
增材制造也是一种耗时少、耗能少的工艺。除了减少错误之外，这些好处还意味着一些工厂在几个小时内可以生产出数以万计的零件，同时减少多达90%的浪费。值得注意的是，3D打印可能难以扩大规模，但对于小批量产品或原型设计来说，它仍然是可行的。
在采用更高效的工艺时，您应该解决可能导致废品的环境因素。由于半导体非常敏感，看似温和的环境也会影响其质量。如果不能防止此类外部损害，即使生产本身非常准确，也会导致材料浪费。
更好的通风可以起到很大的作用。保持正压可以防止污染物进入无尘室，而这需要单向气流流向房间的入口点。所有门的边缘也必须完全密封，以确保压力保持在峰值。
实现无尘室任务自动化也是一个好主意，因为固定机器人不会像从其他区域进入的员工那样带来交叉污染的风险。使用智能暖通空调系统等物联网设备来保持理想的温度和湿度也会有所帮助。
诸如此类的内部步骤至关重要，但认识到外部因素对效率的影响也同样重要。如果不考虑供应链，就无法优化半导体生产。
供应商方面的中断会影响到所有产品，但芯片比其他产品更容易受到影响，因为它们依赖于稀缺资源。值得庆幸的是，您可以通过几种方式解决短缺和延误问题。一种选择是分散您的货源以避免单一依赖。这样，一个供应商的问题就不会影响您的整个材料供应，从而最大限度地减少其对生产力的影响。
从靠近工厂的地区采购是另一种解决方案，因为它可以最大限度地缩短运输距离，从而缩短交货时间。无论您的采购策略如何，最好都对关键材料保持较大的安全库存，而不是依赖精益生产。虽然这种方法会增加初始成本，但它可以让您避免在货源中断期间停机。
机器正常运行时间是另一个容易被忽视但又必不可少的部分，它可以最大程度地提高半导体生产效率。通过主动维修提高设备可用性，可以提高晶圆厂产能10%以上，而无需任何额外的工具或空间。
预防性维护是关键所在，因为一小时的计划内维护通常可以节省三到四个小时的计划外停机时间。同时，许多常规维护活动没有增加任何价值，因此还有改进的余地。基于物联网的预测性维护通过实现基于状态的维修来弥补这一差距，确保所有计划内停机都能产生效果。
然而，预测性方法成本高昂，因此并非在所有情况下都具有成本效益。您可以将其应用于最敏感或最容易发生故障的设备，同时对其余设备使用基于时间表的预防性维护，以此来解决这个问题。
数字孪生是另一项工业4.0技术，在半导体制造领域具有巨大潜力。它们最有用的应用是验证。虽然测试是必要的，但物理试验会产生瓶颈。在芯片的数字孪生中仿真条件可以产生同样可靠的结果，而不会产生固有的低效率。
与传统的虚拟模型不同，数字孪生使用真实世界的数据来模拟其物理上的对应物。因此，这些仿真与您从典型验证过程中获得的结果非常相似，但提供的数据更多，速度更快。
您还可以构建整个生产流程的数字孪生，以仿真潜在的变化。这样，您就可以发现哪些调整能带来最大的改进，而无需在现实世界中进行耗时且昂贵的试错。
花时间优化半导体制造将帮助您扩大生产规模，以满足行业飞速增长的需求。虽然这些步骤可能并不简单，但它们会产生巨大的长期优势。将上述几种策略结合起来，将带来最大的改进。虽然并非每个晶圆厂都需要采用每种方法，但尽可能多地解决各个领域的问题，将有助于您在不断变化的趋势中保持领先。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：7 Powerful Techniques to Boost Semiconductor Fabrication Efficiency，由Ricardo Xie编译。)
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