Wat is de hoofdoorzaak van het tekort aan halfgeleiderchips? Is het gewoon een kwestie van onvoldoende productiecapaciteit bij de chipfabrikanten, of is er iets anders aan de hand? Hoewel halfgeleiderchips vaak worden voorgesteld als de belangrijkste bouwsteen voor alledaagse elektronische producten, zijn deze chips zelf sterk afhankelijk van een groot aantal “kritische materialen” – en ook aan deze materialen is er een tekort. Net zoals chips essentieel zijn voor de bouw van onze auto’s, computers en smartphones, zijn er gespecialiseerde grondstoffen (zoals chemicaliën en gassen, slurries en andere verbruiksgoederen) nodig om chips te vervaardigen. Zoals velen weten, heeft het huidige chipschaarste veel problemen in de toeleveringsketen voor elektronische producten verergerd, maar de belangrijkste beperking voor de chipproductie is het tekort aan deze kritieke materialen.
De materiaaltekorten zijn vooral te wijten aan het feit dat materiaalproducenten aarzelen om te investeren in productieverhoging, vooruitlopend op de snel groeiende vraag van chipfabrikanten (Fabs). De situatie is echter verergerd door de volgende gebeurtenissen: het conflict tussen Rusland en Oekraïne, de stijgende energieprijzen, de beperkte materiaalproductiecapaciteit, de stijgende grondstofkosten en het effect van COVID-19 op de consumentenvraag naar elektronica en logistiek. Door deze gebeurtenissen (naast vele andere) blijft de halfgeleidermaterialenindustrie een inhaalbeweging maken om aan de aanhoudend hoge vraag naar chips te voldoen.
Figuur 1. Heliumaanbod zal zonder Rusland 24% achterblijven bij de vraag, tenzij andere regio’s meer gaan leveren. Beeld Techcet
De geopolitieke problemen in de regio Rusland-Oekraïne hebben de bezorgdheid over de bevoorrading met grondstoffen nog doen toenemen. Rusland is een van de belangrijkste exporteurs ter wereld van metalen, zeldzame gassen en aardgas (essentieel voor elektriciteit), die stuk voor stuk van cruciaal belang zijn voor de chipfabricage. Fluorkoolwaterstoffen, met name C2F6, zijn essentiële speciale gassen voor halfgeleiders die nu beperkt zijn als gevolg van regionale complicaties. Een van de redenen voor de leveringsonderbrekingen is dat belangrijke importeurs (zoals de VS) na de Russische inval in Oekraïne sancties hebben ingesteld tegen Russische materiaalbedrijven in staatseigendom. Bovendien zijn veel belangrijke Oekraïense producenten van zeldzaam gas (neon, krypton en xenon) ook afhankelijk van Rusland, en hebben zij hun activiteiten dit jaar moeten stopzetten als gevolg van Russische aanvalsdreigingen.
TECHCET schat dat 40-50% van ‘s werelds neon voor halfgeleiders afkomstig is uit Oekraïne.
Gezien deze en andere complicaties bij de materiaalvoorziening hebben TECHCET en de Raad voor Kritische Materialen actief de oorsprong van de bevoorradingsketens en de hoofdoorzaken van de onderbrekingen in de bevoorrading vanuit Rusland en elders opgespoord. De verstoringen in de regio Rusland-Oekraïne zijn vooral alarmerend omdat beide landen belangrijke mondiale bronnen zijn van zeldzame gassen die geschikt zijn voor halfgeleiders. Om dit in perspectief te plaatsen: TECHCET schat dat 40-50% van ‘s werelds neon voor halfgeleiders afkomstig is uit Oekraïne. Tot dusver hebben chipbedrijven in de VS nog geen tekort aan neon, maar de kwetsbaarheid van het Russisch-Oekraïense aanbod heeft geleid tot toewijzingen van voorraden en een zoektocht naar alternatieve bronnen in afwachting van toekomstige onderbrekingen. De neonleveranciers in de VS proberen ook hun eigen productiecapaciteit op te voeren, maar het zal waarschijnlijk 1 à 2 jaar duren voordat er extra nieuwe producten beschikbaar komen, omdat de aanlooptijd voor de apparatuur lang is en er veel tijd nodig is om deze installaties te bouwen en te kwalificeren.
Helium is een ander zeldzaam gas dat te kampen heeft met leveringsonderbrekingen als gevolg van de oorlog tussen Rusland en Oekraïne. Tijdens de COVID-19 pandemie werd helium geconfronteerd met knelpunten in de bevoorrading, waarvan velen hoopten dat die zouden worden verlicht door nieuwe Russische productiebronnen. Gazprom, een Russisch staatsbedrijf dat aardgas en helium levert, werd opgericht om deze bevoorradingsproblemen op te lossen, waardoor Rusland op het goede spoor kwam om uiteindelijk een derde van al het helium ter wereld te produceren. Nu het conflict tussen Rusland en Oekraïne het moeilijk heeft gemaakt om dit materiaal te verkrijgen, verwacht TECHCET dat de wereldwijde vraag naar helium weldra het aanbod zal overtreffen, tenzij er tegen 2026 bijkomende bronnen op de markt komen. In de VS ligt het aanbod van helium momenteel gevaarlijk dicht bij de vraag, wat tot hogere prijzen en langere leveringstermijnen heeft geleid. Zoals uit het onderstaande blijkt, wordt zonder Russische bronnen tegen 2026 een tekort aan helium verwacht van ongeveer 1,5 miljard kubieke voet (BCF).
Net als Rusland zijn TECHCET en de CMC-Raad zich terdege bewust van problemen met de toeleveringsketen en de afhankelijkheid van materialen uit China. Als gevolg van de tarieven op Chinese export, logistieke complicaties bij de handel als gevolg van COVID-19 en sporadische prijspieken, is het zeer problematisch geworden om afhankelijk te zijn van materialen, voornamelijk chemicaliën en metalen, die uit China komen. In het verleden hebben Chinese materiaalbedrijven bijvoorbeeld onverwacht hun prijzen verlaagd om marktaandeel te winnen, terwijl zij de prijzen voor de grondstof/uitgangsmateriaal verhoogden (zoals blijkt uit figuur 2 hieronder).
Figuur 2. Onstabiele Chinese prijzen voor fosfaaterts en fosforzuur (H3PO4) Beeld Techcet
Dit leidt vaak tot schade aan de winstgevendheid en levensvatbaarheid van andere bedrijven in de ruimte, waardoor chipmakers afhankelijker worden van materialen uit een kwetsbare Chinese markt. China is momenteel een belangrijke leverancier van grondstoffen die nodig zijn voor de productie van kritische materialen (vooral zeldzame aardelementen en natte chemische uitgangsmaterialen), aangezien het een groot deel van de wereldwijde grondstoffenproductie ondersteunt. TECHCET schat dat de Chinese chemische fabrieken ongeveer 45% leveren van de verschillende natte chemicaliën en grondstoffen die worden gebruikt voor de wereldwijde chipfabricage. Dit introduceert een van de huidige aandachtspunten en behoeften van de industrie voor halfgeleidermaterialen – de oprichting van meer lokale en verspreide faciliteiten voor de productie van materialen om de kloof tussen materiaalleveranciers, chipfabrikanten en elektronicaproducenten te verkleinen.
Ultrahoogzuivere (UHP) natte chemicaliën zijn een andere kwetsbare toeleveringsketen waarvan de oorsprong gecondenseerd is in Azië. Momenteel worden 100% van alle UHPzuiver zwavelzuur en isopropanol in de VS ingevoerd vanuit Azië – en veel van de materiaaltoeleveringsketens in Azië zijn afhankelijk van grondstoffen uit China. TECHCET schat dat de Amerikaanse vraag naar chemicaliën voor halfgeleiders in de komende 4 tot 5 jaar met 50% zal toenemen om de groei van het aantal chips in de VS te ondersteunen. Tot op heden hebben Amerikaanse chemische bedrijven vrijwel geen capaciteit om extra UHPchemicaliën te leveren, en het binnenlandse aanbod lijkt niet klaar om aan de voorspelde vraag te voldoen. De kosten voor de bouw van productiefaciliteiten kunnen variëren van 10 tot 100 miljoen USD, afhankelijk van de vraag of het gaat om een uitbreiding van een bestaande fabriek of om een “green field”-faciliteit. Zonder nieuwe toegevoegde capaciteit zullen de VS echter 97% of meer van de ultrazuivere chemicaliën die nodig zijn voor chipfabrikanten moeten importeren.
Figuur 3: De toeleveringsketen voor grondstoffen: Lang en complex met een groot aantal internationale afhankelijkheden. Beeld Techcet
Gezien deze problemen met de toeleveringsketen van materialen is er een inherente behoefte om te navigeren door de onzekerheden van de chipmarkt. De CMC, die oorspronkelijk is opgericht door Sematech, fungeert als leidraad voor TECHCET en geeft richting aan de werkzaamheden die nodig zijn om deze problemen te identificeren en aan te pakken. CMC-leden zijn onder meer: Intel, Samsung, Micron, ST Micro, Texas Instruments, Infineon, ONSemi, GlobalFoundries, Broadcom, TowerJazzPanasonic, NXP, YMTC, Nexperia, Microchip, en Qorvo,. Dankzij het werk van TECHCET kan de CMC anticiperen op onderbrekingen en knelpunten in de toeleveringsketen van halfgeleidermaterialen en deze waar mogelijk verzachten. Door het werk van TECHCET met de CMC versterken chipfabrieken hun banden met de leveranciersgemeenschap om een effectief netwerk op te bouwen voor de aanpak van materiaalgerelateerde problemen. De CMC is met name in staat geweest om snel te communiceren en problemen in de toeleveringsketen aan te pakken als gevolg van natuurrampen, explosies of plotselinge sluitingen van chemische fabrieken, onderbrekingen van COVID-19 verschepingen en andere problemen die door deze dynamische en groeiende industrie worden veroorzaakt.
Link magazine editie juni 2022 | jaargang 24 thema: Hoe slaan we de brug tussen de software- en de hardware-engineers? Lees Link digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl’
De afgelopen paar jaar heeft TECHCET zich gericht op het ondersteunen van de goedkeuring van de Amerikaanse CHIPS Act (een herziene versie van het USICA-wetsvoorstel van de Senaat uit 2021) om de belangrijkste problemen in de toeleveringsketen op te lossen. President Biden zal naar verwachting de definitieve goedkeuring van de U.S. CHIPS ACT ondertekenen nu deze door het Congres is goedgekeurd. Verwacht wordt dat de CHIPS Act de binnenlandse markt voor halfgeleiders zal stimuleren en zo verdere groei mogelijk zal maken. De vraag blijft echter: “Zullen er in de CHIPS Act middelen worden gereserveerd voor de productie van materialen en O&O? Op dit ogenblik is het onduidelijk of er al dan niet aandacht wordt besteed aan investeringen in leveranciers van halfgeleidermaterialen, ondanks hun essentiële rol in de chipproductie. Vanwege deze onzekerheid pleiten veel materiaalbedrijven en TECHCET (via de CMC) voor meer financiële steun voor materiaalproducenten in de CHIPS Act. Zonder dergelijke steun lijkt de bouw van een halfgeleidergas- of chemische fabriek in de VS voor de meeste chemische producenten financieel onhaalbaar. Indien echter in de VS geen aanvullende capaciteit voor de produktie van materialen wordt ontwikkeld, zal de afhankelijkheid van onstabiele bronnen zoals China, Rusland en andere delen van de wereld blijven bestaan en toenemen. Bovendien zal de nasleep van COVID-19 de onzekerheid over de productie en mogelijke logistieke onderbrekingen blijven vergroten, waardoor de invoer van de Amerikaanse bevoorradingsketen verder in gevaar komt.
De kern van de huidige materiaalvoorzieningsproblemen is de te grote afhankelijkheid van verre buitenlandse bronnen. Wanneer zich onverwachte problemen voordoen – oorlog, pandemieën, handelscomplicaties, enz. – komen deze bevoorradingsketens onder druk te staan en kunnen zij de vereiste vraag niet bijbenen. Dit is des te problematischer omdat wordt verwacht dat de vraag naar chips in 2024-2025 alleen maar zal blijven toenemen. Hoewel TECHCET en de CMC van plan zijn om deze dreigende problemen met de toeleveringsketen te blijven aanpakken, kan er maar zo weinig worden gedaan als het probleem zich eenmaal heeft aangediend. Gelukkig kunnen de meeste van deze toekomstige problemen worden beperkt door de bevoorradingsbronnen te stabiliseren met een meer gelokaliseerde materiaalproductie. Dit begint met het opvoeren van de inspanningen voor de uitbreiding van de materiaalproductie in de VS, die sterk afhankelijk is van de steun van de Amerikaanse CHIPS Act. Door dit te doen kan de chipmaterialenindustrie met succes de infrastructuur opbouwen die nodig is voor een meer betrouwbare, lokale en efficiënte stroom van kritieke materialen ter ondersteuning van de snel groeiende Amerikaanse halfgeleiderindustrie. Bron Semiconductor Digest
