Tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn

Vi mạch bán dẫn giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong bối cảnh thế giới bước sang giai đoạn bùng nổ nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các công nghệ mới như AI, IoT, 5G, Big Data,…Với nhiều điều kiện thuận lợi, đây chính là lúc Việt Nam gia nhập vào chuỗi cung ứng toàn cầu và trở thành mắt xích quan trọng trong chuỗi cung ứng vi mạch bán dẫn. Để tham gia được vào chuỗi cung ứng toàn cầu và trở thành mắt xích quan trọng trong chuỗi, Việt Nam cần có chiến lược phát triển Công nghiệp vi mạch bán dẫn của riêng mình, trong đó tiêu chuẩn đóng vai trò quan trọng.

Hiện trạng ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn ở Việt Nam

Ngành Công nghiệp vi mạch bán dẫn trên thế giới hình thành vào khoảng những năm 1960, ngay khi lĩnh vực chế tạo linh kiện bán dẫn trở thành một ngành kinh doanh có thể phát triển và tồn tại độc lập. Thực tế, khái niệm về sản xuất bán dẫn không mới ở Việt Nam, mà đã được Đảng và Nhà nước quan tâm từ rất sớm. Cụ thể, 4 năm sau ngày đất nước thống nhất, năm 1979, nhà máy bán dẫn Z181 được thành lập, bắt đầu thực hiện các hợp đồng sản xuất, xuất khẩu thiết bị bán dẫn cho thị trường nước ngoài. Cuối những năm 80, đầu những năm 90 của thế kỷ trước, tình hình chính trị thế giới có nhiều biến động, nhà máy Z181 không còn những đơn hàng sản xuất linh kiện bán dẫn. Việc sản xuất, đóng gói linh kiện bán dẫn của nhà máy phải dừng lại. Ngành công nghiệp bán dẫn ở nước ta trải qua thời gian dài rơi vào tình trạng trầm lắng.

Giai đoạn 2004-2006, với sự xuất hiện của một số công ty nước ngoài mở văn phòng thiết kế tại Việt Nam như Renesas, Active Semi, cùng sự ra đời của Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) thuộc Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và Phòng thí nghiệm Hệ thống tích hợp thông minh (SISLAB) thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội đã đánh dấu sự tham gia sâu hơn của Việt Nam vào mảng thiết kế chip. Một năm sau, Tập đoàn Intel đầu tư vào Việt Nam, xây nhà máy tại khu Công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh, nước ta bắt đầu bước chân vào công đoạn đóng gói. Sau thời gian phát triển nóng, ngành vi mạch bán dẫn chững lại do khủng hoảng kinh tế năm 2008. Sau khi hồi phục vào giai đoạn 2013-2014, Việt Nam có thêm sự tham gia của một số doanh nghiệp trong nước như Viettel và FPT tham gia vào công đoạn thiết kế. Trong 10 năm trở lại đây, ngành bán dẫn ở nước ta có nhiều tín hiệu chuyển mình rõ rệt. Đến nay, không chỉ có Intel hay Samsung mà những “tên tuổi lớn” trong ngành bán dẫn thế giới đã hiện diện ở Việt Nam, như TSMC, NXP Semiconductors, Amkor Technology, Synopsys. Năm 2023 đánh dấu một năm đầy sôi động của Việt Nam trong công nghiệp vi mạch bán dẫn, khi hàng loạt tên tuổi hàng đầu thế giới về lĩnh vực này liên tiếp đầu tư vào Việt Nam với những dự án lên đến cả tỷ USD.

Để cho ra đời một sản phẩm chip hoàn thiện, ước tính phải trải qua khoảng 600 bước, liên quan đến nhiều công nghệ và sản xuất ở nhiều nước, chia thành 3 công đoạn chính: Thiết kế; chế tạo; thử nghiệm/ kiểm tra, đóng gói. Vì sự phức tạp, phải qua nhiều bước nên không quốc gia nào có thể sở hữu toàn bộ chuỗi cung ứng. Trong 3 công đoạn, thiết kế chiếm khoảng 50-60% giá thành sản phẩm, chế tạo chiếm khoảng 25-30%, còn lại là công đoạn kiểm tra, đóng gói chiếm khoảng 15-20%. Theo số liệu của Hiệp hội Công nghiệp bán dẫn SIA[1] doanh số toàn cầu của lĩnh vực bán dẫn vi mạch năm 2023 là trên 520 tỷ USD, với đà tăng trưởng hiện nay, dự kiến năm 2024, doanh thu toàn cầu sẽ đạt 588,4 tỷ USD và dự báo đạt trên 1000 tỷ USD vào năm 2030. Với Việt Nam, trong  giai đoạn từ  2011 đến 2022, nhóm hàng điện tử, máy tính và linh kiện liên tục đạt tốc độ tăng  trưởng cao. Đến tháng 5 năm 2023 thì mặt hàng điện tử, máy tính và linh kiện đã tiếp tục vượt qua điện thoại và linh kiện để trở thành nhóm hàng có giá trị kim ngạch xuất khẩu lớn nhất (đạt 20,5 tỷ USD, vượt qua điện thoại và linh kiện đạt 20,2 tỷ USD) [2].

Hình 1, Giá trị xuất khẩu mặt hàng điện tử, máy tính và linh kiện của Việt Nam giai đoạn 2011 – 2022, nguồn [2]

Theo thông tin từ Bộ Thông tin và Truyền thông cho biết, Việt Nam đã chiếm hơn 10% số lượng chip nhập khẩu vào Mỹ trên toàn thế giới trong 7 tháng liên tiếp. Xét về mặt doanh số, Việt Nam đứng hạng 3 châu Á, sau Đài Loan và Malaysia trong xuất khẩu chip bán dẫn vào Mỹ. Trong tháng 2-2023, Việt Nam đã xuất khẩu chip vào Mỹ đạt doanh số 562,5 triệu USD, tăng so với tháng 2 năm 2022 (đạt 321,7 triệu USD).

Tuy nhiên, những con số trên chỉ là kết quả thu được ở công đoạn 3, đó là thực hiện việc kiểm tra, đóng gói thành phẩm. Đây là công đoạn có giá trị gia tăng thấp nhất trong chuỗi cung ứng (chip sẽ được sản xuất ở các nước khác, sau đó đưa về Việt Nam lắp ráp vào các thiết bị, kiểm tra, chạy thử và đóng gói sản phẩm). Rõ ràng, trong ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, nếu chỉ tham gia khâu đóng gói, thử nghiệm mà không tích cực tham gia, làm chủ công đoạn thiết kế, chế tạo hay chủ động thêm được về công nghệ thì nguồn thu sẽ rất hạn chế. Trước bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, Việt Nam đang hướng đến xây dựng chính phủ số, thành phố thông minh, sản xuất thông minh, nền nông nghiệp thông minh,… tất cả sẽ gặp phải nhiều khó khăn nếu ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn phụ thuộc hoàn toàn từ nước ngoài. Điều này lại càng quan trọng hơn trong lĩnh vực quốc phòng, an ninh [3].

Để có thể phát triển ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, chủ động trong các công đoạn thiết kế, chế tạo, có thể thấy tiêu chuẩn giữ vai trò quan trọng. Tiêu chuẩn giúp giải quyết những thách thức về tăng năng suất, khuyến khích đổi mới, mở rộng toàn cầu và đào tạo lao động mới. Tiêu chuẩn làm chuẩn mực giúp trao đổi thông tin giữa nhà cung cấp và người dùng, đưa ra các hướng dẫn và thông số kỹ thuật chính xác và kịp thời, xác định thị trường mới, thúc đẩy cạnh tranh bằng cách giảm bớt rào cản thương mại, tạo điều kiện cho xu hướng công nghệ mới phát triển, giảm chi phí tích hợp, mở rộng quy mô nhà máy và tăng tốc độ sản xuất, giảm chi phí sản xuất, giảm thiểu chi phí bảo trì, giảm chi phí phát triển sản phẩm và tăng chu kỳ sử dụng [4].

Tiêu chuẩn quốc tế, hiệp hội trong ngành vi mạch bán dẫn

Nhận thấy vai trò quan trọng của tiêu chuẩn đối với ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC đã thành lập ban kỹ thuật IEC/ TC47 về thiết bị bán dẫn. Nhiệm vụ của IEC/TC 47 là xây dựng các tiêu chuẩn quốc tế về thiết kế, sản xuất, sử dụng và tái sử dụng các thiết bị bán dẫn rời rrạc, mạch tích hợp, thiết bị hiển thị, cảm biến, cụm linh kiện điện tử, yêu cầu giao diện và thiết bị vi cơ điện tử, sử dụng các phương pháp thực hành thân thiện với môi trường. Các vấn đề được đề cập bao gồm độ tin cậy ở cấp độ wafer, đóng gói, thuật ngữ và định nghĩa, vấn đề chất lượng, thử nghiệm cơ lý, phương pháp thử nghiệm cho thiết bị bán dẫn thành phẩm, thông số kỹ thuật và yêu cầu tối thiểu của thiết bị, sơ đồ chân, yêu cầu về giao diện và ứng dụng [5]. IEC/TC 47 cũng bao gồm các tiểu ban (SC 47A Mạch tích hợp, SC 47D Đóng gói thiết bị bán dẫn,  SC 47E Thiết bị bán dẫn rời rạc, SC 47F Hệ thống vi cơ điện tử), nhóm công tác (WG 1 Thuật ngữ, WG 2 Hướng dẫn và phương pháp thử nghiệm thiết bị bán dẫn – Cơ khí, khí hậu và lưu trữ, WG 5 Độ tin cậy ở mức wafer cho các thiết bị bán dẫn, WG 6 ươm tạo, WG 7 Thiết bị bán dẫn để chuyển đổi và truyền năng lượng, WG 8 Công nghệ băng thông rộng – Chuyển đổi điện tử công suất) và thiết lập các dự án xây dựng tiêu chuẩn, tài liệu hướng dẫn (PT 63492 Thiết bị bán dẫn – Cách ly cho thiết bị bán dẫn – Phần 1: Lỗi cơ khí và phương pháp đo để đánh giá lớp cách điện rắn cho thiết bị bán dẫn). Hiện IEC/TC 47 đã xây dựng và công bố 144 tiêu chuẩn.

Bên cạnh IEC, hiệp hội bán dẫn toàn cầu (SEMI) cũng xây dựng tiêu chuẩn SEMI tạo thành nền tảng cho sự đổi mới trong ngành vi điện tử. SEMI thiết lập quy trình xây dựng tiêu chuẩn SEMI với sự tham gia của hơn 5.000 tình nguyện viên là các chuyên gia hàng đầu về vi mạch bán dẫn. Hiện SEMI có hơn 1.000 tiêu chuẩn và hướng dẫn được phê duyệt [5]. Tiêu chuẩn SEMI bao gồm các tiêu chuẩn về sản xuất điện tử: 3D-IC, tự động hóa thiết bị (phần cứng và phần mềm), màn hình phẳng, cơ sở vật chất, khí, đèn LED độ sáng cao, MEMS/NEMS, vật liệu, bao bì, quang điện, hóa chất xử lý, kiểm soát quy trình và vật liệu silicon cũng như truy xuất nguồn gốc. Các hướng dẫn cũng được SEMI xây dựng để đề cập đến các vấn đề liên quan đến an toàn. Tiêu chuẩn SEMI được nhiều công ty trong ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn sử dụng trực tiếp hoặc làm tài liệu tham khảo. Tiêu chuẩn SEMI giúp mang lại kết quả kinh doanh tốt hơn bằng cách kết nối trực tiếp hàng nghìn công ty cung cấp hàng triệu bộ phận khác nhau cho hệ sinh thái sản xuất điện tử [5].

Hình 2, tiêu chuẩn SEMI 3D-IC, nguồn [4]

Ngoài ra, các nước có nền công nghiệp vi mạch, bán dẫn mạnh cũng đẩy mạnh hoạt động tiêu chuẩn hóa đối với ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, điển hình là Trung Quốc [6]. Nhiều hiệp hội như ASTM, IEEE,… cũng có những tiêu chuẩn phục vụ cho hoạt động thử nghiệm sản phẩm, kiểm tra phòng sạch trong công nghiệp vi mạch bán dẫn. Có thể thấy, số lượng tiêu chuẩn trong ngành vi mạch bán dẫn là rất nhiều, bao trùm toàn bộ chuỗi cung ứng, từ thiết kế và chế tạo đến thử nghiệm, đóng gói hay logistic. Tiêu chuẩn cũng bao gồm các thông số kỹ thuật thiết kế cho các thiết bị sử dụng chất bán dẫn cũng như thiết bị thử nghiệm [7]. Theo đó, có 4 nhóm tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, cụ thể:

• Tiêu chuẩn sản phẩm: gồm các tiêu chuẩn quy định chất lượng và các yêu cầu kỹ thuật của các sản phẩm bán dẫn như vi mạch, chip, hoặc các linh kiện điện tử. Tiêu chuẩn thiết bị bán dẫn chủ yếu có các bộ tiêu chuẩn đã được IEC công bố, gồm các bộ IEC 60747, 62047, 61290, 61291 và 61292. Trong đó:

+ Bộ tiêu chuẩn IEC 60747 (28 phần) đề cập đến các thiết bị rời rạc, mạch tích hợp, cảm biến bán dẫn, mạch tích hợp cao tần và các thiết bị khác. Các thiết bị tuân thủ tiêu chuẩn này được sử dụng làm cơ sở để phát triển, chế tạo cho nhiều loại thiết bị phức tạp hơn;

+ Bộ tiêu chuẩn IEC 61290, IEC 61291 và IEC 61292 tập trung vào các bộ khuếch đại quang. Cụ thể, IEC 61290 (gồm 22 phần) bao gồm phương pháp phân tích sử dụng bộ khuếch đại quang. IEC 61291 đề cập đến các thông số kỹ thuật chung và hiệu suất. IEC 61292 là một loạt các báo cáo kỹ thuật (IEC/TR) cung cấp thông tin bổ sung;

+ Bộ tiêu chuẩn IEC 62047 (gồm 22 phần) liên quan đến các thiết bị vi cơ điện tử (MEMS). Bắt đầu với các thuật ngữ, định nghĩa và thông số kỹ thuật chung, đồng thời tiếp tục đề cập đến một loạt các phép đo và phương pháp thử nghiệm, chẳng hạn như các phương pháp đo độ mỏi, nén, uốn và cắt;

+ Tiêu chuẩn sản phẩm còn bao gồm các tiêu chuẩn khác cung cấp thông tin, phương pháp và quy trình bổ sung.

• Tiêu chuẩn sản xuất/chế tạo: Bao gồm quá trình sản xuất chất bán dẫn. Do tầm quan trọng của phòng sạch, các tiêu chuẩn sản xuất sẽ đề cập đến việc phân phối khí trong phạm vi phòng sạch cũng như việc sử dụng và chất lượng nước. Bộ tiêu chuẩn IEC 62258 cung cấp thông tin về cấu trúc (lõi) linh kiện được cắt rời từ phiến silic, sau quá trình chế tạo. Các nội dung quan trọng khác cũng được đưa vào, chẳng hạn như khả năng miễn nhiễm EM, kiểm tra chất bán dẫn và các yêu cầu cụ thể về ngành hàng không vũ trụ, yêu cầu đối với phòng sạch.
• Tiêu chuẩn kiểm tra/ thử nghiệm: Bao gồm nhiều phương pháp thử nghiệm khác nhau. Tiêu biểu là IEC 60749 (gồm 42 phần) đề cập đến một loạt các thử nghiệm từ tổng quát đến phức tạp. Bộ IEC 60749 trình bày phương pháp thử nghiệm chi tiết cho nhiều loại thiết bị bán dẫn để sử dụng trong các môi trường và ngành công nghiệp khác nhau, yêu cầu các thiết bị phải tuân theo/đáp ứng mức độ thử nghiệm. Ngoài ra, tiêu chuẩn kiểm tra/ thửu nghiệm cũng gồm hàng loạt tiêu chuẩn về phương pháp thử nghiệm cơ học và môi trường, thử nghiệm chất bán dẫn mở rộng đến các thử nghiệm phóng tĩnh điện (ESD), bức xạ và các tiêu chuẩn về độ tin cậy khác.
• Tiêu chuẩn khác: Cung cấp các thông tin bổ sung, nhóm này bao gồm các tiêu chuẩn cho cả chất bán dẫn và thiết bị bán dẫn, cũng như việc kiểm tra, thử nghiệm chúng và các lĩnh vực nghiên cứu khác với các danh mục theo công đoạn được nêu ở trên.

Vấn đề xây dựng TCVN trong ngành vi mạch bán dẫn

Ở Việt Nam, chính phủ đặc biệt quan tâm việc đẩy mạnh hợp tác đầu tư phát triển ngành công nghiệp bán dẫn, đã giao Bộ Kế hoạch và Đầu tư, Bộ Thông tin và Truyền thông, các bộ ngành xây dựng kế hoạch hành động và chiến lược để phát triển ngành này. Đồng thời xây dựng đề án phát triển nguồn nhân lực với mục tiêu đào tạo 50.000 kỹ sư công nghệ năm 2030. Việt Nam đã và đang xây dựng nhiều cơ chế ưu đãi đầu tư hấp dẫn cho các công ty, tập đoàn ngành bán dẫn. Các dự án đầu tư ngành bán dẫn thuộc lĩnh vực công nghệ cao được áp dụng những ưu đãi cao nhất. Việt Nam đã thành lập Trung tâm Đổi mới sáng tạo quốc gia (NIC) và ba khu công nghệ cao, sẵn sàng đón các nhà đầu tư ngành bán dẫn với cơ chế ưu đãi cao. NIC và các khu công nghệ cao này sẽ là cầu nối quan trọng để hỗ trợ phát triển hệ sinh thái ngành bán dẫn Việt Nam [8]. Tại dự thảo Chiến lược phát triển Công nghiệp vi mạch bán dẫn Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn 2035, Bộ Khoa học và Công nghệ có nhiệm vụ chủ trì, phối hợp với Bộ Thông tin và Truyền thông và các cơ quan, tổ chức, doanh nghiệp liên quan nghiên cứu, thực hiện chuyển giao công nghệ và xây dựng, ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật về vi mạch bán dẫn. Có thể khẳng định, xây dựng TCVN là nội dung quan trọng để cụ thể hóa các giải pháp nhằm phát triển ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn ở nước ta.

Hiện trong hệ thống TCVN đã có một số tiêu chuẩn liên quan đến Công nghiệp vi mạch bán dẫn, cụ thể như: Bộ TCVN 11344 (36 phần) hoàn toàn tương đương với các phần của bộ IEC 60749 (phục vụ thử nghiệm linh kiện, thiết bị bán dẫn); TCVN 8095-521:2009 (IEC 60050-521:2002) Từ vựng kỹ thuật điện quốc tế-Phần 521: Linh kiện bán dẫn và mạch tích hợp;… Để từng bước xây dựng và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn quốc gia phục vụ phát triển ngành Công nghiệp vi mạch bán dẫn Việt Nam, trước hết cần quan tâm rà soát, cập nhật, xây dựng được tiêu chuẩn về các thuật ngữ, định nghĩa trong lĩnh vực vi mạch bán dẫn, nhằm thống nhất khái niệm, cách hiểu về lĩnh vực quan trọng này. Bên cạnh đó, trong ngành Công nghiệp vi mạch bán dẫn, có thể thấy môi trường cần yêu cầu rất nghiêm ngặt trong các công đoạn quan trọng (sản xuất, thử nghiệm và đóng gói), cụ thể:

• Sạch bụi: Các vi hạt siêu nhỏ có thể bám vào các vi mạch điện tử, chip và làm hỏng chúng, do đó cần đảm bảo sạch và không tích tụ bụi;
• Chống tĩnh điện: Hiện tượng phóng điện do tĩnh có thể xảy ra đối với các con chíp trong suốt vòng đời của nó (chiếm đến hơn 10% trong các IC bị hỏng);
• Độ ẩm, nhiệt độ phù hợp: Nhiệt độ khuyến cáo là 20 ^oC và độ ẩm là (45 ~ 50) %RH;
• Ánh sáng: đặc biệt các khu vực như quang khắc phải có hệ thống đèn phù hợp do chất cản quang rất nhạy với ánh sáng trắng, tia UV;
• Nước và khí nén cấp vào trong một số công đoạn phải tinh khiết;
• Khí thải và nước thải cần hệ thống xử lý chất lượng do có thể có các chất cản quang, HF (chất rất độc hại)…

Với yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện như vậy, phòng sạch (Cleanroom) – không gian kín được thiết kế và sử dụng để kiểm soát các yếu tố như không khí, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và các yếu tố môi trường khác liên quan – là hạ tầng quan trọng bắt buộc phải có, nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn của sản phẩm và quy trình sản xuất, đồng thời giảm nguy cơ ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe người lao động, đảm bảo môi trường đặc biệt và hạn chế tối đa tác hại từ bên ngoài. Do đó, trước mắt cần quan tâm, xây dựng và hoàn thiện hệ thống TCVN về phòng sạch trong ngành Công nghiệp vi mạch bán dẫn (trong đó định hướng lựa chọn chấp nhận tương đương bộ tiêu chuẩn ISO 14644 thành TCVN trong giai đoạn 2024-2025). Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn về kiểm soát, hệ thống phân phối khí, vật tư tiêu hao; kiểm soát nước; kiểm soát các thành môi trường nhiệt độ, độ ồn, chiếu sáng… cũng cần được xây dựng sớm trong giai đoạn 2025-2026. Trong giai đoạn 2025 – 2026 và những năm tiếp theo, cần tiếp tục nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện các tiêu chuẩn quốc gia về sản phẩm (thiết bị, linh kiện bán dẫn – định hướng lựa chọn tham khảo/ chấp nhận các tiêu chuẩn IEC do IEC/TC 47 xây dựng) và các tiêu chuẩn phục vụ việc hoàn thiện hệ thống thử nghiệm hay đóng gói vi mạch bán dẫn (tham khảo các tiêu chuẩn ASTM, SEMI). Việc xây dựng và hoàn thiện hệ thống TCVN có thể căn cứ theo tình hình thực tiễn, tuy nhiên cần bám sát phân loại 4 nhóm tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn theo thông lệ quốc tế đã được trình bày ở trên.