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I segreti dei microchip
Viaggio nella 'fabbrica dei wafer' - VIDEO

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La crisi dei microchip non si attenua e le case automobilistiche continuano a subirne le conseguenze. Del resto, la rivoluzione energetica ha fame di semiconduttori. Il motivo è presto detto: se nel 2010 il contenuto medio del valore industriale dei semiconduttori presenti in un'auto era stimato in 300 dollari, oggi questo dato supera già i 500, per un classico veicolo a combustione interna. Cifra destinata ad aumentare ulteriormente con l'avvento della propulsione elettrica, che richiede una gestione elettronica sofisticata per componenti come il motore, l'inverter, la ricarica e le batterie. Il tutto, accompagnato dalla sempre crescente diffusione degli Adas di livello 2, anche sulle vetture di fascia medio-bassa. Quando, poi, si arriverà alla disponibilità della guida autonoma di livello 3 e 4, il valore dei microchip di ogni esemplare arriverà a superare i 1.000 dollari. Vivremo, dunque, in un mondo sempre più dominato dai piccoli pezzi ricavati dal silicio. Che, però, presentano due problemi: già oggi non sono disponibili in un numero sufficiente per soddisfare la domanda attuale; poi, vengono prodotti da numero ridotto di aziende, prevalentemente dislocate in Asia. Cosa che, pur essendo meno evidente nel campo dell’automotive (in cui i principali player sono invece attivi in Europa e stanno incrementando la propria capacità produttiva), crea una dipendenza della nostra industria, non meno critica di quella relativa alle batterie o di quella energetica. E le difficoltà sono destinate ad acuirsi. O a trasformarsi in criticità assolute qualora la tensione tra Cina e Taiwan dovesse trasformarsi in un vero conflitto o, quanto meno, in un blocco navale.

Microchip: ecco come nascono

Una crescita impetuosa. Il 2021 ha visto balzare agli onori delle cronache quella che tutti chiamano la crisi dei microchip. Il fabbisogno mondiale di semiconduttori era esploso per alcuni prodotti (elettronica personale) durante la pandemia e gli altri settori industriali, automotive in testa, si sono poi fatti prendere alla sprovvista dalla ripartenza della domanda. Così, già nel 2021, il mercato mondiale dei microchip ha fatto segnare una crescita del 26,2%, superando il miliardo di componenti prodotti; quest'anno, secondo le previsioni dell'associazione europea delle aziende del settore, l'aumento si "limiterà" al 16,3%, anche per la flessione della richiesta di smartphone e tablet dovuta all'inflazione e alla situazione economica, che sta riducendo il potere (e la voglia) di acquisto dei consumatori. Stiamo parlando di un mercato che, per quanto riguarda le cosiddette foundry (i produttori di semiconduttori di base per conto terzi), è controllato soprattutto dai produttori del Far East: il 65% esce, infatti, dalle fabbriche di Taiwan, il 18% da quelle sudcoreane e il 5% dagli impianti cinesi. Resta un 12%, che le statistiche attribuiscono genericamente ad "altri", comprendendo nella voce stabilimenti giapponesi, nordamericani ed europei. Dunque, se vuole evitare di subordinare la propria produzione industriale in settori strategici, l'Europa deve darsi da fare.

Le azioni di Bruxelles. Un segnale importante è arrivato con l'European Chips Act, la legge sui semiconduttori voluta dalla UE perché, secondo le parole della presidente della Commissione europea Ursula von der Leyen, «non si tratta soltanto di competitività, ma anche di sovranità tecnologica, per conseguire la quale è necessario unire le nostre capacità di ricerca, progettazione e sperimentazione, coordinando gli investimenti della UE e quelli nazionali». Sul piatto ci sono 43 miliardi di euro d'investimenti strategici, il cui obiettivo è raddoppiare entro il 2030 l'attuale quota europea di mercato mondiale dei microchip (il 10%, quando nei primi anni 90 arrivava al 45%). A fronte dell'impegno comunitario, non è che le grandi aziende del settore siano rimaste inattive. Il problema, però, è che, nel campo dei semiconduttori, incrementare la capacità produttiva, costruendo un nuovo impianto o ampliandone uno esistente, richiede investimenti ingenti e molto tempo. Per comprenderne i motivi, non c'era niente di meglio che visitare una di queste realtà, toccandone con mano l'estrema complessità. Ad aprirci le porte del suo nuovo stabilimento di Agrate (MB), in fase di avvio della produzione, è stata la STMicroelectronics, colosso italo-francese da quasi 50 mila dipendenti. In Italia, oltre all'impianto brianzolo, l'azienda dispone di stabilimenti principali a Castelletto (nei pressi di Cornaredo, sempre nel Milanese) e a Catania, per un totale di 11.370 collaborator. E il 30% del suo fatturato deriva proprio dalla produzione destinata all'automotive.

Purezza assoluta. I lavori per Agrate300, come si chiama l'impianto (che si aggiunge all'esistente Agrate200), sono iniziati nel 2018, quando la società ha intuito quali sarebbero stati i trend del mercato. Ma costruire una fabbrica di questo genere è un impegno alla portata di un numero ristretto di aziende specializzate. Il cuore della produzione avviene, infatti, nella cosiddetta clean room, un'area nella quale la purezza dell'aria dev'essere assoluta, nell'ordine di una particella di polvere da un micron (un millesimo di millimetro) al metro cubo. L'aria interna dev'essere costantemente monitorata e pulita: osservando il reparto, si notano innumerevoli “imbuti” che l’aspirano e verificano in tempo reale la presenza di particelle. Il riciclo è continuo e avviene attraverso un soffitto costituito da filtri e un pavimento costellato di buchi: una sorta di “effetto siringa” fa sì che l’aria venga spinta verso il basso, spazzando via l’eventuale polverosità. Il riciclo completo avviene ogni sei secondi: è come se un vento continuo generasse un flusso laminare, privo di turbolenze.

La vestizione. Chi, come abbiamo fatto anche noi, entra in una clean room deve passare in una camera di vestizione per indossare una tuta, la mascherina, una cuffia per i capelli e i guanti, perché la pelle rilascia continuamente cellule epiteliali; poi attraversa una sorta di doccia d'aria, senza poter portare nulla con sé. Qualsiasi cosa, infatti, potrebbe rilasciare particelle pericolose per i chip, che rimangono esposti fino all'ultima fase della lavorazione qui prevista, la chiusura in un sigillo di vetro che racchiude definitivamente i circuiti proteggendoli dalla polverosità. A questo punto, i chip partono per raggiunge uno stabilimento di un altro Paese, dove vengono inseriti in un contenitore di resina, dotato di contatti (i “piedini” visibili), che ne determina l'aspetto finale. Tutto questo è necessario perché qualsiasi impercettibile particella che entrasse in un microchip, costituito da componenti elettronici elementari come i transistor che possono avere le dimensioni di poche decine di nanometri (milionesimi di millimetro), potrebbe causarne malfunzionamenti e, di conseguenza, il mancato superamento dei controlli finali di qualità. Ma la pulizia assoluta non è tutto: il processo deve avvenire in un ambiente anche completamente privo di vibrazioni, che potrebbero risultare altrettanto letali. Dunque, la costruzione richiede criteri che vanno ben oltre la semplice antisismicità: ad Agrate300 è stata realizzata una sorta di palazzo isolato all'interno di una seconda struttura, il tutto fondato su 1.600 pali, conficcati nel terreno a 15 metri di profondità. L'impianto è costituito da cinque diversi edifici, adibiti a funzioni differenti, che occupano una superficie di 65 mila metri quadrati, 15 mila dei quali destinati alla clean room. Da qui escono wafer (i dischi, ognuno dei quali contiene decine di migliaia di microchip) del diametro di 300 mm al ritmo, previsto per il 2026, di 8 mila unità la settimana.

Centinaia di operazioni. Perché serve così tanto tempo prima che la produzione arrivi a regime? Il motivo è legato all'enorme complessità del processo di fabbricazione, che richiede, per ognuno dei wafer, da due a sei mesi. E si tratta di un processo non lineare, che impone circa 500 passaggi, molti dei quali ripetuti più volte. Semplificando al massimo, si può dire che la "fetta" vergine di silicio, acquistata dai fornitori, viene dapprima lavorata in forni ad alte temperature, per far crescere sulla sua superficie uno strato di ossido isolante: la litografia ottica consente poi di asportare questo materiale nei punti in cui non serve. Sulla superficie viene deposto del materiale fotosensibile, al quale poi è sovrapposta una maschera (una lastra di quarzo, riutilizzabile); il materiale viene "bruciato" nei punti in cui è colpito dalla luce attraverso una lente. In questo modo, tramite la litografia, combinata con l'utilizzo di elementi chimici, si disegnano strutture geometriche tridimensionali, disposte su vari livelli, che costituiscono l'essenza dei microchip. Le operazioni di diffusione dell'ossido di silicio, lavorazione litografica e rimozione delle parti superflue dalla superficie vengono ripetute una trentina di volte in reparti diversi, ognuno dei quali richiede attrezzature differenti e conoscenze specifiche da parte degli operatori. Oltre a personale adeguatamente formato, occorrono macchine e attrezzature sofisticate, alcune delle quali di dimensioni ragguardevoli, del costo di decine di milioni di dollari e prodotte da una manciata di costruttori, che ne detengono le tecnologie esclusive. L'aumento della capacità produttiva dei microchip è, dunque, uno sforzo che richiede, oltre a investimenti colossali (entro il 2024, STMicroelectronics avrà riversato in Agrate300 molto più di 2 miliardi di dollari), tantissimo tempo. Così, chi si è mosso per primo oggi detiene un vantaggio competitivo, destinato a protrarsi nei prossimi anni.

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