5.2 Конструктивно-технологические факторы, влияющие на себестоимость изделия.
Себестоимость является показателем, характеризующим экономичность изготовления изделия, поэтому уже в процессе проектирования необходимо знать и учитывать факторы, влияющие на уровень затрат производства нового изделия.
Под фактором понимают обобщённую (наблюдаемую или ненаблюаемую) характеристику, выражающую одну из существенных черт объекта с точки зрения поставленной задачи. Факторы делятся на управляемые и неуправляемые.
Для выбора рациональных вариантов при проектировании, обеспечивающих экономичность создаваемых изделий, анализируют в первую очередь управляемые факторы.
Основными факторами на стадии НИОКР, влияющими на уровень себестоимости изделия, являются:
1) функциональный класс прибора и его группа сложности;
2) конструкция (тип корпуса, количество выводов и др.);
3) размеры приборного кристалла (длина, ширина, площадь);
4) степень интеграции ( количество элементов на кристалле) или плотность интеграции (упаковки), т.е. количество эле ментов микросхем на единицу площади;
5) относительная сложность базового технологического про цесса, выражаемая коэффициентом сложности;
6) параметры исходной полупроводниковой пластины.
К основным факторам производства можно отнести:
1) качество исходных материалов(дефекты материала);
2) уровень качества технологического процесса (дефекты технологии);
3) объём выпускаемой продукции;
4) размер партии изделий и время изготовления;
5) длительность выпуска продукции;
6) технический уровень оборудования и оснастки;
7) квалификация и уровень подготовленности кадров;
8) уровень управления и организации производства (степень концентрации, кооперирования, уровень специализации и т.д.).
Факторами экслуатации, влияющими на уровень себестоимости, являются:
1) технико-экономические и эксплуатационные требования на изделия;
2) степень удовлетворения требованиям мирового стандар та.
Перчисленное множество факторов, сгруппироанных по классификационному признаку “место формирования управляющего воздействия”, подчеркивает, что на уровень себестоимости можно влиять на всех стадиях создания, освоения и экслуатации изделия. Таким образом, снижение себестоимости изделия- задача комплексная, и её решение возможно при учёте взаимосвязей факторов, воздействующих на затраты производства.
Стадия проектирования является исходной базой для формирования себестоимости изделия. Качество принимаемого инженерного решения в значительной мере отражается на уровне затрат производства.
При разработке микросхем, изготовляемых по планарной технологии, на себестоимость изделия влияет диаметр полупроводниковых пластин, на которых формируются элементы приборов. В зависимости от диаметра пластин и размера приборного кристалла (длина и шарина) можно размещать различное количество кристаллов на пластине. Учитывая групповой характер производства на стадии обработки пластин и постоянную стоимость пластины определённого диаметра в течении производстенного процесса, нормативные прямые затраты на один приборный кристалл будут снижаться при увеличении диаметра пластины в зависимости от количества размещённых на пластине приборов.
Диаметр относится к слабоуправляемым факторам, так как получение пластины большого диаметра ограничено техническими возможностями и уровнем развития отрасли. Но общая тенденция при изготовлении пластин направлена на последовательное увеличение их диаметра, так как при этом лучше используется оборудование и достигается высокая эффективность групповой обработки , что позволяет уменьшить удельные затраты, приходящиеся на приборный кристалл.
Однако следует учитывать, что при увеличении диаметра толщина пластины также несколько увеличивается, что позволяет выдерживать высокие механические нагрузки. Поэтому стоимость единицы площади кремниевой пластины при увеличении её диаметра несколько повышается, что делает необходимым поиск оптимального количества приборов, формируемых на пластине.
Размер приборного кристалла непосредственно влияет на величину нормативных прямых затрат на единицу изделия (без учёта выхода годных продукции). Общее количество кристаллов, размещённых на пластине, складывется из числа кристаллов во вписанном в окружность квадрате или прямоугольнике (nвп) и числа кристаллов на краевых сегментах пластины (или на периферии) (nкр):
nобщ=nвп+nкр.
Число кристаллов во вписанном прямоугольнике в значительной степени зависит от отношения сторон, при этом разница может доходить до 20%. Наиболее целесообразной является форма квадрата , так как в нём располагается большее количество приборов , чем в прямоугольнике, при условии одинаковой площади кристалла. При использовании прямоугольника возможно размещение большего количества кристаллов в краевых зонах, однако выход годных кристаллов из краевых областей пластины существенно ниже, чем из центральных по технологическим причинам.
Общее количество приборных кристаллов, размещаемых на пластине, можно рассчитывать по эмпирической формуле
,
где D-диаметр платины, мм;Qkp-площадь приборного кри сталла, мм2.
Реальное число кристаллов может отличаться от расчётного для разных диаметров в пределах 8-12%.
Затраты производства при формировании приборов на пластине (включая стоимость пластины) Sпл распределяются на количество размещённых приборов на пластине (Nкр), и тогда затраты на приборный кристалл (Sкр) без учёта выхода годных изделий составят
,
При расчётах оптимальной себестоимости изделия необходимо учитывать не общие затраты, приходящиеся на один прибор, а удельные затраты на элемент схемы, размещённой на приборном кристалле. В этом случае разработчик, изменяя размеры приборного кристалла и количество размещаемых на нём схемных элементов, выбирает наименьший уровень удельных затрат, т.е.
.
Размеры приборного кристалла тесно связаны со степенью интеграции микрохем. Общее количество элементов схемы, расположенных на кристалле, характеризует уровень интеграции прибора. Поскольку количество элементов на приборе достигает значительной величины (от сотен до тысяч элементов), степень интеграции выражают соотнощением Kин=lg Nэл , где Nэл-число элементов на кристалле.
Однако для практических расчётов удобнее пользоваться показателем плотности интеграции (или упаковки), представляющим собой количество элементов микросхемы на единицу площади кристалла (эл/мм2).
Увеличение количества элементов, размещаемых на приборном кристалле, способствует снижению удельной себестоимости элемента.
Уменьшение себестоимости элемента при увеличении степени интеграции обусловлено тем, что затраты производства остаются примерно одинаковыми при изготовлении приборного кристалла, а количество элементов увеличивается. Повышение степени интеграции должно осуществляться до определённых пределов для каждого уровня развития технологии, так как эта величина существенно влияет на уровень выхода годной продукции. При увеличении количества элементов на кристалле, не соответствующем уровню развития технологии, происходит резкое уменьшение уровня выхода годной продукции, возрастают затраты на выпуск годного прибора и наступает предел экономической целесообразности повышения степени интеграции.
Уровень выхода годной продукции (p) является основной характеристикой качества и стабильности воспроизведения технологического процесса.Воздействие данного фактора на экономические показатели производства велико (рис.5.2), поэтому требуется тщательно учитывать влияние параметров разрабатываемого изделия и других характеристик производства на величину выхода годной продукции.
Уровень выхода годной продукции изменяется под воздействием множества причин организационного и конструкторско-технологического характера. Для различных состояний отработки технологического процесса преобладает воздействие разных причин. Например, на стадии обработки пластин для стабилизированного технологического процесса основными причирами снижения уровня выхода годных изделий являются проколы в оксиде ( обусловленные дефектностью фотошаблонов, качеством фоторезиста, чистотой помещения и т.д.), структурные дефекты приводящие к микроплазмам.В процессеотработки технологии (в период освоения) к изложенным причинам добавляются неоптимальность и нестабильность параметров технологического процесса, которые существенно отражаются на величине выхода годной продукции.
Как известно, особенностью технологического процесса изготовления микросхем является наличие значительного числа повторяемых операций на стадии обработки пластин ( операции фотолитографии, химической обработки, диффузии, окисления, напыления, контроля вольт-амперных характеристик). Для различных изделий количество перечисленных операций неодинаково, в связи с чем, при прочих равных условиях, и уровень выхода годной продукции отличается для каждого типа приборов. Количество операций в технологическом процессе однозначно оказывает воздействие на величину p. Однако корреляционный анализ по выявлению степени влияния на величину выхода годной продукции каждой из перечисленных операций показал, что в наибольшей степени коррелирует с величиной p количество повторяемых операций фотолитографии (коэффициент корреляции »1), тогда как для других операций корреляция меньше. Поэтому при расчётах среднего уровня выхода годных изделий достаточно учитывать повторяемых операций фотолитографии, что и делается на практике.
Существенное влияние на уровень выхода годной продукции оказывают дефекты исходного материала и дефекты, вызываемые технологией.
При обработке полупроводниковых структур обнаруживается наличие дефектов, вызываемых структурными дефектами в кремниевой пластине, проколами в процессе фотолитграфи, и других дефектов в результате многочисленных процессов нанесения слоёв, связанных с недостатками технологии, оборудования. В общем случае считают, что все эти дефекты некоррелированы. Плотность распределения дефектов различна, наименьшая плотность дефектоф характерна для центра пластин, по краям плотность дефектов увеличивается. Плотность дефектов состоит из двух составляющих: плотности дефектов материалов и плотности технологических дефектов. Зависимость уровня выхода годных изделий от проколов (дефектов) для стадии обработки пластин имеет вид
p=exp(-BdQкр);
где B-коэффициент поражаемости кристалла, т.е. отношение площади на кристалле, возникновение дефектов на которой приводит к браку микросхемы, к полной площади кристалла; для современного уровня технологии B=0,4¸0,5; d-плотность дефектов на единицу площади; Qкр-полная площадь кристалла.
Для стадии обработки пластин с учётом количества процессов фотолитографии (nф) и плотности дефектов (dф) средний уровень выхода годной продукции определяется по эмпирической формуле
pобр=((1+dфQкр)nф)-1,
где dф-средняя плотность дефектов на один фотошаблон;
nф-количество процессов фотолитографии.
Фактором, влияющим на себестоимость продукции, является и объём производства.
Производство интегральных микросхем наиболее эффективнопри изготовлении большими партиями и объёмами выпуска.Это обусловлено особенностями технологического процесса и возможностями оборудования для групповой обработки. Чем выше объём годового выпуска продукции, тем меньше удельные затраты на проектирование и изготовление, приходящиеся на одну схему. Снижение себестоимости изделия при увеличении объёма производства обусловлено следующими причинами:
a) более полным использованием возможностей оборудова ния;
б) сокращение подготовительно-заключительного времени;
в) способностью к большой автоматизации производства;
г) снижение потерь при увеличении объёма поставок мате- риалов и комплектующих изделий;
д) уменьшение доли косвенных затрат производства на еди- ницу изделия.
Однако уменьшение себестоимости изделия с увеличением объёма проихзводства происходит до определённого предела, выше которого возможно уже увеличение себестоимости. В этом случае необходимо осуществлять поиск оптимального решения.
В свете всего выше сказанного можно отметить, что учёт факторов,влияющих на себестоимость изделий, на стадии проектирования позволяет осуществить экономически обоснованный выбор инженерного решения при создании прибора, определить направление совершенствования технологического процесса, систему организации производства. Всё это в конечном итоге будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественных приборов на мировом рынке.