Maailmanlaajuinen pula puolijohteista on vain pahentunut parin viime kuukauden aikana, mikä on viivästyttänyt useiden eri tuotteiden toimituksia ja aiheuttanut huomattavia myyntitulojen menetyksiä yrityksille, jotka käyttävät tuotteissaan mikrosiruja.
Aiemmin tänä vuonna näytti jo siltä, että sirupula voisi helpottaa jo vuoden 2022 aikana. Tuoreimmat ennusteet eivät ole kuitenkaan näin optimistisia. Sirupula tulee jatkumaan toistaiseksi, arvioi Deloitten puolijohdetoimialan yksikön vetäjä Brandon Kulik Ars Technican artikkelissa. Hän korostaa, että nyt ei puhuta kuukausista, vaan vuosista.
Nyt alkaa olla jo selvää, että puolijohteiden toimitusketjujen häiriöt aiheuttavat painetta talouskasvulle. Lokakuun lopulla sekä GM että Ford kertoivat sirupulan leikkaavan vuoden kolmannen kvartaalin tuloksia. Myös Applen on arvioitu pienentävän iPhone-tuoteperheen tuotantotavoitteita tälle vuodelle, kertoo Ars Technica artikkelissaan. Sirupulasta on tullut niin laaja, että Wells Fargo –pankki on arvioinut puolijohdepulan leikkaavaan Yhdysvaltojen bruttokansantuotteen kasvua 0,7 prosentilla.
Ei helppoa tapaa korjata tilannetta
Vallitsevan sirupulan taustalla on useita syitä, joihin ei ole nopeita korjaussarjoja.
Yksi syy tilanteen taustalla on, että ihmiset ostavat edelleen uusia kännyköitä ja läppäreitä. He käyttävät myös ahkerasti paljon verkkoa kuormittavia palveluita, kuten videoiden streemausta ja videopuheluita, jotka nostavat datakeskusten kuormitusta. Deloitten Kulikin mukaan kysyntä näyttää vain jatkavan kasvua kaikilla markkinoilla. Tämä kova kysyntä on törmännyt useiden keskeisten komponenttien saatavuusongelmiin.
Hiljattain on ollut pulaa esimerkiksi piirilevyjen valmistukseen käytettävästä laminaateista eli substraateista. Substraatti tarkoittaa elektroniikassa ohutta alustaa jonka päälle voidaan rakentaa puolijohdekomponentit tai piirilevyn (PCB, Printed Circuit Board) sähköeristekerros. Piirilevysubstraatti on tärkeä osa elektroniikkatuotteen pakkausta. IC-piirien valmistus- ja kokoamisteknologiat vaativat kokoajan substraatilta entistä enemmän. (Lähde: Orre, J. 2011)
Piirilevy puolestaan on lähes kaikkien elektroniikkatuotteiden perusrakenne. Piirilevylle kiinnitetään erilaisia komponentteja, kuten mikroprosessoreita ja muita integroituja piirejä, vastuksia, kondensaattoreita ja muita vakio- tai erikoiskomponentteja. Piirilevyn tehtävänä on siis toimia liitäntä- ja kytkentäalustana eri komponenteille ja moduleille. Piirilevy johtaa signaaleja ja käyttöjännitettä komponenteille ja niiltä pois. Lisäksi piirilevy johtaa hukkalämpöä, toimii mekaanisena tukirakenteena ja suojaa sähkömagneettisilta häiriöiltä. Piirilevyjen valmistamiseksi käytettävää levyä nimitetään laminaatiksi.Laminaatteja on paljon erilaisia tyyppejä riippuen käyttötarkoituksesta. Lisäksi on eri paksuuksia, ja erilaisilla kuparivahvuuksilla. Erikoisimpiin sovelluksiin saatetaan käyttää esim. metallipohjasta levyä, tai taipusaa polyimideä (flex), tai kiinteän FR4:n ja taipuisan yhdistelmää (flex-rigid). Yleisimmät laminaatti tyypit ovat mm. FR4, CEM, FR2. (Lähde: Printti-Valmiste Oy)
Verrattuna kehittyneisiin puolijohteisiin, piirilevyt ovat pienikatteisia ja helposti valmistettavia tuotteita. Useimmat elektroniikkavalmistajat eivät valmista omia piirilevyjään, mutta ilman piirilevyjä eivät puolijohteet pysty keskustelemaan keskenään, muistuttaa Ars Technica.
Kuva 1. Piirilevyt ovat yksi esimerkki sinänsä yksinkertaisesta ja edullisesta komponentista, josta on tällä hetkellä pulaa. (Kuva: Epec)
Tilannetta pahentaa vielä sekin, että tulipalo tärkeällä substraattitehtaalla heinäkuussa 2020 tuhosi ison osan tuotantokapasiteetista. Tämän seurauksena piirilevyjen tuotantokapasiteetin on arvioitu jäävän jälkeen kysynnästä tulevina vuosina. Ongelma on niin iso, että Intelin pääjohtaja Pat Gelsinger nosti asian esille viimeisimmässä sijoittajatapaamisessa, kertoo Ars Technica.
70 prosentin käyttöaste ei riitä puolijohdetehtaalle
Nykyisessä tilanteessa jopa maailman suurimmat puolijohdevalmistajat ovat pulassa ja niillä on vielä pitkä matka siihen, että ne pystyisivät vastaamaan kysyntään. Uusien tehtaiden rakentaminen ja tuotannon saaminen korkealle tasolle vie vuosia. Yhtiöitä arveluttaa myös tehdä valtavia investointeja, jos kysynnän huippu jääkin lyhytaikaiseksi, muistuttaa Ars Technica.
Vaikka puolijohteiden kysyntä on juuri nyt erittäin vahvaa, kukaan ei pysty sanomaan, miten kysyntä käyttäytyy, kun koronasta on päästy yli. Puolijohdevalmistajat eivät ole erityisen innokkaita investoimaan uusiin tehtaisiin, jos ei ole varmaa, että niiden käyttöaste on vähintään 70 prosentin luokkaa. Puolijohdetehtaiden on vain yksinkertaisesti liian kallista. ”Jos käyttöaste on 60 – 70 prosenttia, teet luultavasti tappiota”, kommentoi Ars Technican haastattelema, Semiconductor Advisorsin pääjohtaja Robert Maire.
Uusi tehdas maksaa 5 – 10 miljardia dollaria
Edistyksellisen puolijohdetehtaan kustannusarvio on 5 – 10 miljardin dollaria. Hinnat ovat moninkertaistuneet verrattuna siihen, paljonko tehdas maksoi 10 – 20 vuotta sitten (esimerkiksi AMD:n Saksan Dresdeniin rakennetun puolijohdetehtaan kustannusarvio oli 1990-luvun lopulla noin miljardi dollaria).
Kun tuotantoteknologiat ovat kehittyneet, on myös itse tehdasrakennusten valmistamisesta tullut kalliimpaa, samoin tuotantolaitteista. Esimerkkinä Ars Technica mainitsee uusimmat ultravioletti litografiaa käyttävät laitteet, joita tarvitaan viivanleveyden ollessa alle 7 nm. Niiden hinnat lähtevät 120 miljoonasta dollarista.
Puolijohdetehtaiden huikeista kustannuksista huolimatta useat valmistajat ovat lisäämässä kapasiteettia olemassa oleville laitoksilleen, kertoo Deloitten Kulik Ars Technican artikkelissa. Myös isompia hankkeita on tuloillaan. Intel, Samsung ja TSMC ovat kaikki kertoneet viime kuukausina uusista tehdashankkeistaan. Mutta menee vielä vuosia, ennen kuin uudet tehtaat ovat tuotannossa. Yksi syy tähän on, että tehtaat vaativat tuekseen paljon infraa sähköntuotannosta vesivarantoihin.
Surkeiden sattumusten summa
Uudet tehtaat tarvitsevat myös paljon työvoimaa. Kulikin mukaan markkinoilla on juuri nyt pulaa osaajista: ”tarvitsemme paitsi uusia tuotantolinjoja, myös lisää osaajia”. Yliopistot, muut oppilaitokset ja yritykset yrittävät yhdessä kasvattaa puolijohdealan osaajien määrää, mutta tämäkin vie aikaa.
Jotta tilanne ei olisi liian helppo, myös muita haasteita on kasaantunut puolijohdeteollisuuden niskaan (maaliskuussa 2021 uutisoimme tällä sivustolla tilanteesta otsikolla ”Surkeiden sattumusten summa”).
Tammikuu-helmikuun vaihteessa räjähdys tuhosi LCD-TFT-näyttöjen valmistukseen käytettäviä lasisubstraatteja valmistavan tehtaan Etelä-Koreassa. Maaliskuussa tulipalo riehui Renesas Electronicsin omistamalla tehtaalla. Japanilaisyhtiö oli keskeinen toimittaja autoteollisuudelle. Yhtiö paiski jo ylitöitä korvatakseen Asahi Kasei Microdevices –yhtiön menetetyn kapasiteetin, kun puolestaan Asahin yksi tehdas paloi lokakuussa 2020.
Koronan aikana ja sen jälkeen ovat laivakuljetukset aiheuttaneet murheita useille teollisuudenaloille. Puolijohdeteollisuus ei ole sekään säästynyt näiltä murheilta. Puolijohteet matkaavat tyypillisesti valmistusprosessin eri vaiheissa ympäri maailmaa. Laivakuljetus ohella myös lentoliikenteen hiipuminen koronan aikana vaikutti puolijohteiden kuljetustilanteeseen.
Edellä mainittujen haasteiden lisäksi helmikuun 2021 pakkaset Texasissa aiheuttivat ongelmia Samsungin tuotantolaitokselle Austinissa. Kesällä korona sulki vielä Malesiassa sijaitsevia tehtaita, joissa pakattiin puolijohteita (pakkaaminen viittaa tässä kohtaa valmistusprosessin vaiheeseen).
Paniikkitilauksia satelee
Puolijohdealan vaikeudet ovat näkyneet asiakkaille pitkittyneiden toimitusaikojen muodossa. Vuoden 2020 lopulla tyypillinen toimitusaika tilaukselle oli 13 viikkoa, nyt vertailukelpoinen toimitusaika on 22 viikkoa, kertoo Ars Technica artikkelissaan.
Valitettavasti puolijohteiden ostajat ovat itse osa ongelmaa: ennen koronaa monet yritykset suosivat lean-tuotantoa, jossa yritykset pitävät itsellään hyvin pientä komponenttivarastoa. Nyt kun toimitusajat ovat venyneet, ovat yritykset alkaneet tilata enemmän ja kerätä itselleen suurempia varastoja välttääkseen komponenttipulasta johtuvat tuotantohäiriöt.
“Olen keskustellut puolijohteita käyttävien yritysten kanssa, joiden tuotanto pyöri JOT-periaatteella”, kertoo Maire Ars Technican haastattelussa. “Nyt nämä yritykset ovat siirtyneet tilaamaan tavaraa varastoon, jopa vuoden tarpeen verran, varautuakseen mahdolliseen komponenttipulaan.”
Kun puolijohdevalmistajat kasvattavat tuotantoaan nykyisillä laitoksillaan, saattaa joidenkin komponenttien saatavuus helpottaa nopeammin kuin toisten, arvioi Kulik. Tällaiset projektit vievät tyypillisesti 12 – 18 kuukautta. Kokonaan uuden tehtaan rakentaminen kestää 2 – 3 vuotta. Ottaen huomioon tämän päivän pitkät toimitusajat, voi olla että pelkästään nykyisten laitosten kasvattaminen ei riitä: “Arvioni on, että sirupula jatkuu, kunnes riittävän paljon kokonaan uutta kapasiteettia saadaan tuotantoon”, arvioi Kulik Ars Technican artikkelissa.
Kriittisemateriaalit.fi-sivusto on Huoltovarmuuskeskuksen Teknologiapoolin hallinnoima sivusto, joka seuraa suomalaisen teollisuuden kannalta kriittisten metallien ja mineraalien sekä elektroniikkakomponenttien markkinoiden kehitystä erityisesti jatkuvuudenhallinnan ja huoltovarmuuden näkökulmasta. Lisätietoja: jarkko.vesa(at)notinnovatedhere.fi
(Julkaistu 7.11.2021, päivitetty 8.11.2021)
Lähteet:
- No end in sight for chip shortage as supply chain problems pile up. Ars Technica, 28 October 2021.
- Huolettoman kuluttamisen loppu? Elektroniikan ennennäkemätön sirupula jatkuu vielä pitkään – ”Pula on aivan huikea”. MTV uutiset 8.11.2021.
- Global Chip Shortage ’Is Far From Over’ as Wait Times Get longer. The Wall Street Journal, 29 October 2021. (tilaajille)
- GM, Ford results likely to reflect chip shortage’s varying impacts on sector. Reuters, 25 October 2021.
- Roaring Asian exports set to fizzle. Nikkei Asia, 20 October 2021.
- The Chip Shortage Has Made a Star of This Little-Known Component. The Wall Street Journal, 4 September 2021. (tilaajille)
- Orre, J. (2011). Uusiutuvat materiaalit elektroniikan tuotesuunnittelussa. Diplomityö, Tampereen teknillinen yliopisto.
Lisää aiheesta:
Kiinan toimitusketjujen häiriöt vaikuttavat merkittävästi myös Etelä-Korean puolijohdeteollisuuteen
Surkeiden sattumusten summa: elektroniikan komponenttipula ulottuu nyt myös näyttöihin