失效分析 赵工 半导体工程师 2022-07-25 08:58 发表于北京
很难低估日本消费电子产品制造商对世界的影响有多大。在刚刚完成了一篇关于瑞典机械计算器的文章里——直到1969年，瑞典机械计算器仍然主宰着世界。然而，在三年的时间里，它们就被廉价的日本数字计算器淹没了。
在现代科技和商业领域，日本半导体的故事是独一无二的。
从第二次世界大战结束后，这个国家迅速在一项新兴技术上获得了竞争力，成为全球领导者。
在这篇文章中，我们将看到日本半导体产业从20世纪50年代到80年代的30年增长和高峰。
开始
我们从头开始怎么样?我们的故事从美国的晶体管发明开始——贝尔实验室是美国电话垄断公司AT&T的一个部门。
该公司在完成专利申请期间将这项发明保密了六个月。然后在1948年夏天公开宣布了这一突破。
此时，日本在第二次世界大战后被盟军占领。
日本国际贸易产业省(MITI)的一名成员——渡边——与在盟军占领总司令部(GHQ)工作的前贝尔实验室(Bell Labs)工程师成为了朋友。
在贝尔实验室宣布这一消息后不久，这位美国工程师告诉渡边，他有一份关于美国刚刚发明的固态放大器的报告。
工程师对渡边说，这份报告是最高机密，不能分享。
然后，就在渡边面前，他把报告放在桌子上，走出了房间。
渡边得到了这个没有说出口的信息，把报告带回家阅读和研究。
他和他在日本工业产业部的其他同事认识到这一发现的重要性，并指导该国的工业提出他们自己的本土版本。
学习晶体管
日本在晶体管学习方面的努力是广泛的。其中最重要的是由MITI通过其电子技术实验室或ETL协调。ETL后来被分拆为日本电话电报公司(NTT)。
日本仍在从其不明智地参与第二次世界大战中恢复过来。因此，研究人员不仅很难找到设备，也很难找到足够的食物。国际旅行很困难，该国几乎没有外国资本来购买外国技术。
ETL始于Watanabe和其他ETL研究人员领导的一个简单的晶体管研究小组。ETL的负责人飞到美国带回了晶体管样品。GHQ在日本设立了图书馆，这些图书馆订阅了贝尔的技术期刊。研究人员阅读了它们。
日本物理学会举办了半导体研讨会，研究人员在会上展示了他们的发现。第一次是在1950年4月。
到1951年，日本电报电话公司(NTT)和日本电气公司(NEC)的日本科学家成功地制造出了晶体管的原型。然而，这仍远远落后于该行业的其他公司。
贝尔
1953年，一家名为Tokyo Tsushin Kogyo的公司在一则新闻通告中——显然是亚洲计量学通讯——看到美国电报电话公司贝尔系统的制造部门——西部电气公司公开授权他们的晶体管制造专利，收取25,000美元的费用和2-3%的专利费。
你可能想知道为什么AT&T会这么做。毕竟，晶体管不是一项宝贵的技术突破和国家安全的基础吗?他们为什么不保护它?
从长远来看是的。但在当时，引用一个著名的计算机数字，你不能把这些点连接起来向前看。只有在向后看的时候。
1948年贝尔实验室的锗晶体管很粗糙。与现有的真空管技术相比，它的技术优势并没有立即显现出来——尤其是在转向硅之前。锗的挑剔本质是一个真正的制造问题。
此外，当贝尔发明晶体管时，人们立即担心美国的电话垄断了这种有价值的技术。他们已经在抵御美国政府的反垄断诉讼。
将晶体管技术授权给其他公司是规避公众担忧的一种方式。35家电子公司接受了Ma Bell的许可证申请。其中包括几家美国制造商，如通用电气、雷神公司和德州仪器公司。
无论如何，这家日本的小公司——当时只有120名员工——向日本产业部请求资金来完成这笔交易。没有等待产业部的批准，他们就与西部电气公司达成了协议。产业部对这家小公司的发展感到恼火，但还是同意了。
听说过东京通信工业公司吗？没有?也许，你会对它后来的名字更加熟悉。
索尼与收音机
美国发明了晶体管。但日本随着晶体管收音机的普及，使其成为任何家庭消费必需品。收音机是第一个便携式杀手级应用程序。
1954年，德州仪器公司发布了第一台商用晶体管收音机:Regency TR-1。
TR-1比之前的任何东西都更小、更便携。但由于成本削减措施，它的产品功能——音频质量等——落后于其真空管竞争对手。
尽管存在这些问题，但任何看过这款产品的人都知道这是未来。在你的口袋里放一个无线电接收器!想象一下!分析人士预测“3年内销量将达到2000万台”。每一家日本公司都在努力制作自己的产品。
生产电子管的老牌公司神户制电株式会社(Kobe Kogyo)与美国巨头RCA达成协议，获得他们的晶体管技术。1954年，他们发明了第一台晶体管收音机。这台收音机很好用，但产品和产量都不够好，无法向公众销售。
它为一家公司提供了孤注一掷的机会。索尼也想加入。经过一番说服之后，这家小型初创公司获得了贝尔实验室的专利包——包括几个样品晶体管、一块高级锗晶体和一本毫无帮助的教科书——贝尔实验室的《晶体管技术》。
更重要的是，索尼的工程师们有机会在西方电力公司(Western Electric)的一家工厂工作三个月。他们画了素描，并把在那里学到的东西详细记录下来。
收音机
为了生产一种可行的收音机，索尼需要以可接受的高产量生产一种新型晶体管——生长结型晶体管。到1955年，索尼的收益率为5%，还不到美国的一半。
该公司并未气馁，开始生产和销售晶体管收音机，这在内部引起了争议。相信他们的团队能够提高收益率来盈利是非常冒险的。由于索尼需要借钱来资助其昂贵的研发工作，这是一个赌上整个公司的决定。
那台名为索尼TR-55的收音机是日本第一台商用的晶体管收音机。它的音频质量仍然不是很好，但它体积小，便于携带，电池寿命也很长。
索尼的收音机卖得很好，特别是在国外。1955年，电子产品在日本出口总额中所占比重不到5%。到1960年，这个数字已经上升到16%。那一年，日本仅向美国出口了1000万台晶体管收音机。
几年之内，老牌电子管公司如NEC、东芝和日立都推出了自己的收音机。前面提到的神户公社设法提高了收益率，并在1957年进入市场。他们最终在1964年与富士通合并。
随着11家日本电子公司的产品进入市场，晶体管收音机市场崩溃了。索尼通过推出其他产品，如调频晶体管收音机和最终的电视，在这场危机中幸存了下来。
到1960年，日本的晶体管产量与美国持平。但那时，下一个大事件已经在上升。
集成电路的兴起
1959年，Fairchild公司的Robert Noyce独立发明了第一个单片集成电路。这种集成电路在商业上比杰克·基尔比的混合集成电路更可行，后者是在前一年发明的。
这是因为单片集成电路的所有晶体管都在一块硅上，这使得它更容易进行商业生产。
在获得这项技术专利后，Fairchild将其授权给NEC。仅仅在发明三年后。
然而，这一次日本集成电路公司发现要赶上他们的美国竞争对手要困难得多，主要有两个原因。
首先，美国的集成电路产业发展非常迅速。商业市场取代政府成为主要市场。大型机市场呈爆炸式增长，刺激了对更复杂集成电路的需求。
从1963年到1965年，IC的平均售价从50美元下降到9美元以下。产量增长了二十多倍。
其次，许多必要的IC制造设备——如光刻、溅射设备和离子注入器——都来自美国公司。日本公司不得不争相从美国进口设备，而这并不容易。
缺点
在整个20世纪60年代，通商产业部的政策重点是鼓励技术进口。例如，他们为早期晶体管技术的许可和收购提供补贴。或者在没有技术转让协议的情况下阻止外国制造的电子产品进入利润丰厚的日本市场。
这种技术引进政策在一开始就带来了一些能力上的追赶，甚至带来了一些商业上的成功。例如，在东京南部地区发展小型仪器制造商集群。
然而，事情很快变得明朗起来，日本集成芯片制造商并没有赶上美国。这一点在业内最新最热的产品——内存电路——上尤为明显。更具体地说-动态随机存取存储器，或DRAM。
DRAM
粗略地说，DRAM被用于计算机在通电时存储信息。它以较低的成本提供高容量——以千比特、兆比特和千兆为单位。
DRAM与其他类型的半导体存储器一样，是一种商品。像台式电脑、笔记本电脑和服务器制造商这样的客户可以很容易地根据价格或功能切换供应商。
从1974年到2000年，DRAM产品的平均生命周期约为2-3年。价格波动是狂野而残酷的。例如，2007年1Gb DRAM的报价约为10美元。一年后，由于供应过剩，美元兑美元汇率跌至1美元以下。
正因为如此，内存领域的产品领先地位比半导体行业通常更为重要。你想第一个进入市场的产品，这样你就可以定价高，并在其他市场赶上之前收回投入的资金。
随着时间的推移，随着新晶圆厂和芯片制造设备的资本成本持续上升，这将变得更加困难。这意味着你要卖更多的内存等等。
落后
20世纪70年代初，DRAM市场的第一名是美国。英特尔和先进存储系统公司为大型机市场推出了1K产品。英特尔凭借其成本效益占据市场领先地位。
日本人试图赶上美国人。但每当他们成功地复制出一种记忆产品，美国人就会跳到下一代。这发生在行业从1K过渡到4K，然后再到16K。
如果没有更好的芯片，日本大型计算机产业永远无法与美国巨头竞争。也就是说,IBM。当时，他们几乎无法与这一庞然大物抗衡。
1971年，日本产业部将6家独立的公司重组为3家成对的集团。但这两家公司仍在继续竞争，因此，通商产业部直接寻求组织和协调整个日本半导体行业的研发工作，以推动日本下一代计算机的发展。
这就是1975年的VLSI项目——即超大规模集成电路。
超大规模集成项目
超大规模集成电路项目汇集了日本最大的五家半导体公司——富士通、日立、三菱电机、NEC和东芝——它们通常是激烈的竞争对手。消费类电子产品被排除在外，这就是索尼未能入选的原因。
该项目将微型制造过程的不同部分分配给每个参与者的研究人员，并得到了充足的政府资金的支持。
该项目始于1976年，持续了4年直到1980年。这导致了超过一千项关于微细加工过程的专利。
关键的是，该项目帮助日本在两个关键行业发挥了领导作用:光刻和硅晶体技术。日本在这些领域取得了技术领先地位，其半导体行业几乎完全从美国供应商转向了国内供应商。
我还在另一个关于日本光刻工业的视频中讨论了VLSI项目。要了解更多细节，你可能想要查看一下。
跨越式发展
16K之后的下一步是64K。在这一点上，他们落后了一代人
日本DRAM业界认为，有必要同时开发16K和64K的制造工艺。超大规模集成电路项目的经验帮助实现了这一目标。
因此，NTT于1977年4月在世界上首次宣布成功开发了64K DRAM。
两年后，NEC、日立(Hitachi)和富士通(Fujitsu)都向市场推出了64K，与此同时，美国也推出了64K。消除了美国的领先优势。
此外，日本产品更好。虽然美国人在半导体生产线上发明并开创了自动化技术，但日本人掌握了它。
其中最重要的是对计算机控制键合工艺的投资——将完成的集成电路连接到电路板上的组装步骤。
美国人选择使用更便宜的海外劳动力来完成这最后一步。
另一方面，日本人完全实现了自动化，最终在他们的投资上领先。
DRAM的主导地位
惠普公司1980年的一项研究比较了美国人和日本人的产品质量，发现美国最好的公司的产品的错误仍然是日本最差公司的6倍。
日本国债收益率达到70-80%，而美国国债收益率最高达到50-60%。因此，日本产品不仅更好，而且价格更低。
DRAM市场进入了“核冬天”。1985年之后，只有两家美国公司还在这个行业:美光(Micron)和德州仪器(Texas Instruments)。剩下的是日本公司和一家韩国公司——三星。
为什么它工作
应该会有第二个超大规模集成电路项目。但美国抗议政府为此类研发项目提供资金是一种不公平的贸易做法。但是，由于强调了半导体的政策重要性，日本国内掀起了大规模集成电路(VLSI)的研究热潮。
研究人员研究了1976年超大规模集成电路(VLSI)项目成功的原因。这个概念来自英国，在那里，研究协会响应政府的资助而涌现。但在国外，类似的公私合作关系并没有取得同样的成果。
最好的答案可能是超大规模集成电路项目来得正是时候。当时的半导体产业不像现在这样多样化和复杂。个人计算、iPhone、云计算和人工智能。这些在当时都不存在。你拥有的只有大型主机。这样可以集中注意力。
此外，在20世纪70年代，芯片制造工厂的成本开始飙升至数十亿美元。然而，仅仅通过推动工艺制造的改进，仍然有可能取得巨大的技术进步。
结论
回过头来看，日本能登上半导体之巅是一个经济奇迹。就像日本的许多其他事情一样，它毫无意义——充满了千钧一发和自相矛盾的政策。
但每个作用力都有相同的反作用力。日本的崛起引发了美国半导体制造业的强烈反思。美国是如何如此严重地衰落的?与其他制造业不同的是，它们的反弹势头强劲。
然后，其他一些国家开始效仿日本的做法。最值得注意的是，一家雄心勃勃、紧跟潮流的半导体巨头来到了韩国。
用一句日本谚语来修饰一下：美国捣米，日本揉面，韩国吃DRAM蛋糕。日本作为国王的统治不会持续太久。
来源：半导体行业观察
半导体工程师
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