Japanners tuk op Nederlandse mechatronicakennis

De Japanners maken met hun Rapidus-initiatief momenteel de sprong van 40- naar 2-nanometer-chipproductie. Het land trekt voor de inhaalrace bijna 12 miljard euro uit. Daarbij focussen ze ook op advanced packaging, want dat moet ze flexibiliteit bieden om de kleine series mogelijk te maken voor hun traditionele sterktes: automotive en robotica. Kennis uit Nederland blijkt daarbij zeer welkom.

Dat bleek deze week uit de bedrijfsbezoeken aan Tokio en Osaka in het kader van de Nederlandse deeptech-equipment handelsmissie. High-Tech Systems Magazine keek mee ‘in de keuken’ van de missie. Die bestaat uit vier delen met onderwerpen als fotonica en quantum, digitalisering en AI. In de programmering voor de machinebouw-delegatie valt op dat de Japanners met name veel aandacht hebben voor hybrid bonding. In alle ontmoetingen krijgt dat onderwerp steevast veel aandacht.

Sommige delegatieleden leveren daarvoor al kennis aan Japanse machinebouwers. Namen worden niet genoemd, iets wat voor de Nederlandse technologieleveranciers zelf ook een handicap is in hun promotie bij potentiële klanten in het land van de rijzende zon.

De chipindustrie ziet hybrid bonding momenteel als de heilige graal nu ze in de ic-productie de hoogte opzoeken. Wie de 3D-technologie onder de knie krijgt, kan kosten besparen door zo min mogelijk vierkante millimeters peperduur silicium uit de nieuwste nodes te gebruiken. Door die ic’s te combineren met chips uit goedkopere fabs zijn systemen te maken die niet onderdoen voor 2D-geïntegreerde systemen. In sommige gevallen verbeteren de prestaties zelfs doordat de verbindingslijnen korter zijn. Bijkomend voordeel: energiebesparing en dus ook minder warmteproblemen.

De NL-delegatie heeft inmiddels twee bedrijfsbezoeken afgelegd aan machinebouwers die producten aanbieden rondom waferbonding. De gastheren hebben het onderwerp zelf op de gespreksagenda gezet - de belangstelling voor kennis uit het ASML-ecosysteem om hun problemen op te lossen is groot. Europa’s meest waardevolle bedrijf is hier duidelijk een breekijzer.

Inhaalslag

Japan is opnieuw bezig met een inhaalslag in halfgeleidertechnologie. Binnen het initiatief Rapidus wil het land over enkele jaren 2-nanometerchips in hoogvolume gaan produceren. Prototype-wafers rollen over een paar maanden al van de band, zo is de verwachting. In 2027 moet alles in hoogvolume draaien in Hokkaido. IBM en Imec leveren er de technologie voor, ASML installeerde in december van vorig jaar in de Rapidus-fab al een high-NA-systeem.

Japanse bedrijven hebben eind jaren zeventig al laten zien dat ze met een formidabele gezamenlijke inspanning veel voor elkaar kunnen krijgen. De technologische inhaalslag die ze destijds onder leiding van MITI maakten, zorgde ervoor dat Japanse bedrijven dominant werden in de DRAM-markt en dat Nikon en Canon koploper werden in lithografie.

Interessante noot: De Nederlandse metrologiespecialist Nearfield Instruments heeft in het Rapidus-project intussen ook een voet tussen de deur. Het tekent deze week in Singapore een samenwerkingsovereenkomst met het AStar Institute of Microelectronics (IME). IME werkt op het gebied van advanced packaging samen met Rapidus. De voorbereidingen voor de verpakkingsproductielijnen zijn op dit moment in volle gang.

De Japanners beseffen dat het weinig zin heeft om met TSMC te gaan concurreren om de gunst van Nvidia en Apple - kijk maar hoe Intel worstelt. Rapidus gaat zich vooral richten op kleinere series om met name automotive- en roboticafabrikanten te ondersteunen. Die markten zoeken naar flexibiliteit en lage productiekosten.

Performance en power

Het is intussen duidelijk dat de automotive-industrie - die zich voorheen eigenlijk alleen richtte op volwassen nodes - ook geavanceerde chips nastreeft om op wereldniveau te kunnen concurreren. Tommy Sato, algemeen directeur van de Semiconductor Equipment Association of Japan (SEAJ), gaf tijdens een lezing op de Nederlandse ambassade in Tokio aan dat auto’s 5- en 3-nanometerchips nodig hebben uit performance en poweroverwegingen. Hij verwees ook naar analisten die verwachten dat generatieve AI zal gaan helpen om onveilige situatie op de weg te voorkomen. De auto heeft daarvoor AI-hardware aan boord die wordt gevoed door snelle camerabeelden - vertragende communicatie met de cloud wil je daar voorkomen.

Om serieproductie van intelligente systemen voor automotive en robotica flexibel en goedkoop te maken, kan Rapidus niet om advanced packaging heen. Door chips (chiplets) in verschillende nodes te produceren en daarna te verpakken tot slimme systemen zijn in principe goedkope, snelle en energiezuinige systemen te maken. Alles integreren in de meest geavanceerde node zou het onacceptabel duur maken.

De nadruk ligt hier op ‘in principe’. Want kosten laag houden betekent dat er nauwelijks uitval mag zijn. Om echt snelle en zuinige systemen te produceren, hebben de traditionele op soldeer gebaseerde verpakkingsmethoden hun handicaps. De grote belofte is hier hybrid bonding, maar eigenlijk heeft nog niemand in de wereld dat echt goed voor elkaar. AMD maakte versies van zijn Ryzen-processor met die-to-wafer bonding, maar het schijnt dat nieuwere Ryzen-versies weer met thermo compression bonding (TCB) in elkaar worden gezet.

Tijdens de gesprekken met Japanse bedrijven blijkt vooral warpage een stevige bottleneck te zijn. Na de bonding trekken wafers krom en dat geeft nogal wat problemen in de productiestappen daarna.

Ultraschoon

Zonder geavanceerde verpakkingstechnologie heeft het weinig zin om 2nm-chips te gaan produceren met high-NA. Dit is bovendien waar Japanse equipmentfabrikanten denken het verschil te kunnen maken. Die kennis hebben ze vooral nodig om hun grote klanten TSMC, Samsung en Intel te bedienen, maar binnen Rapidus komt het ook van pas - vandaar de interesse van de Japanse gastbedrijven voor Nederlandse precisietechnologie.

Naast warpage en ultraschoon werken is ook productiviteit momenteel een grote bottleneck. De die-to-wafer-hybrid-bondinglijnen die technologiepioniers Besi en Applied Materials leveren komen momenteel niet verder dan 1800 plaatsingen per uur. Dat is onacceptabel, want dat zou betekenen dat er pakweg twintig van deze cellen (à 5 miljoen euro minimaal) nodig zijn om aan het einde van een frontend-fab de naakte dies op wafers te plaatsen.

Vandaar de warme ontvangst die Demcon, Hittech, Mecal, MI Partners, Prodrive en VDL ETG hier ervaren. Dat deze ASML-toeleveranciers hier welkom zijn, wil één gastheer - concurrent van Besi - in ieder geval niet aan de grote klok hangen. Voorafgaand aan de meeting werd vriendelijk doch nadrukkelijk verzocht om geen foto’s van de happening op social media te verspreiden.

Overigens zeggen vrijwel alle Japanse gastbedrijven en -organisaties dat ze op dit punt een cultuuromslag aan het maken zijn. Ze zien de voordelen van open innovatie, zijn zeer benieuwd naar de ervaringen uit het ASML-ecosysteem en proeven er voorzichtig aan. Maar er is duidelijk een grote aarzeling als het om open informatie-uitwisseling en kennisdeling gaat. Hun boodschap: we werken graag samen, maar jullie zullen geduld moeten hebben.

KLA en Applied

Een heel verschil met de toeleverketen rondom ASML en Thermo Fisher, die in de afgelopen decennia ook partijen als KLA en Applied ging bedienen. Daar is het geen geheim wie voor wie werkt, want alle oems zien inmiddels in dat ze daar vooral voordeel bij hebben.

Japanse machine- en instrumentmakers vinden die openheid echter nog een brug te ver. Ook Tommy Sato van de SEAJ bevestigde dat het niet makkelijk zal worden om ervaringen van Nederlandse toeleveranciers met Japanse oems te delen met andere Japanse machinebouwers.

Maar alle Japanse bedrijven lijken in te zien dat het in Europa en af en toe in de VS ook werkt. Dus steekt iedereen hier zijn grote teen in het frisse water. Maar voor ze in de open innovatiekuip springen, willen ze eerst nog even diep adem halen.

Japanse bedrijven weten dat ze de stap moeten zetten en voelen bovendien zelf dat ze er klaar voor zijn. Hun jonge ingenieurs spreken inmiddels voldoende goed Engels om technici van buitenlandse leveranciers te kunnen ontvangen en begeleiden.

Dit soort investeringen zijn overigens cruciaal. Japanners willen zien dat suppliers investeren in de relatie door zich lokaal te vestigen of door innige samenwerking. Maar steeds weer de boodschap: het is een kwestie van lange adem.

Engineeren met tolken

Dat beaamde ook een meereizende mechatronicaspecialist uit de Brainport-regio. Hij deelde zijn ervaringen met een ander Japans bedrijf met zijn gastheren. Zijn collega’s ontwikkelen al een aantal jaren de technologie voor snelle en nauwkeurige positioneerstappen in het nanometerbereik, iets wat eind dit jaar een prototype zal gaan opleveren.

De eerste contacten waren vier jaar geleden ontstaan. ‘Maar zelfs met tolken van beide kanten duurde het nog een jaar voordat de daadwerkelijke samenwerking van start ging, vanwege taal- en cultuurbarrières. Dit werd overwonnen door een wederzijds geloof in samenwerking en veel geduld’, aldus de Nederlander.

Het opheffen van de covid-19 reisbeperkingen in Japan bracht de samenwerking in een stroomversnelling. De Japanners konden naar Nederland afreizen om de faciliteiten te bezoeken. De gesprekken draaiden vooral om de procesvereisten voor de apparatuur. Nadat dit duidelijker was, begonnen ze aan een concept te werken.

Gedurende die eerste maanden waarin de Nederlanders de eerste schetsen op papier zetten, 3D-CAD-tekeningen maakten en simulaties en deeltesten deden, waren er wekelijkse gesprekken over de voortgang, de ontwerpkeuzes en het financiële budget. ‘Na tien maanden bezocht de klant ons om de eerste prototypes te zien. Daarna hebben we het prototype verder afgesteld en getest voor verzending.’

Een jaar na de start werd het systeem verscheept en bezochten de Nederlanders Japan om klanten te trainen in het gebruik van het systeem. ‘We hebben nog steeds wekelijkse gesprekken en zijn een tweede project gestart waarbij we een meer geïndustrialiseerde versie van het prototype ontwikkelen. Dat prototype verschepen we eind dit jaar.’

Succesfactoren

Tot de succesfactoren rekende de Nederlandse toeleverancier het wederzijdse streven naar een succesvolle technische oplossing met toegewijde engineeringteams van beide kanten en een gemeenschappelijk doel. ‘Wederzijds respect, wederzijds accepteren dat we een andere achtergrond hebben. Zowel onze klant als wij stelden veel controlevragen om er zeker van te zijn dat we elkaar begrijpen.’

Techniek en getallen helpen. ‘We kunnen werken met feiten en formules die we allebei begrijpen, ook al kan de nomenclatuur soms nog verschillen. Ingenieurs van beide kanten hebben ook een meer dan gemiddelde intelligentie.’

Volgens de Nederlandse partij was er flexibiliteit van beide kanten. ‘Onze klant begrijpt dat voor de ontwikkeling van nieuwe technologie een doelbudget nodig is, maar dat dit geen vast budget kan zijn. Van onze kant begrijpen we dat er grenzen zijn aan dat budget, dus soms moeten we creatief zijn en risico's nemen.’

Over de culturele verschillen: ‘We stellen heel directe vragen. We willen meteen weten waarom, of waarom niet. Voor onze klant voelt dit soms als beledigend wanneer hij geen antwoord kan geven. Voor ons is het frustrerend dat we moeten wachten op antwoorden en niet genoeg vooruitgang kunnen boeken.’