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8英寸晶圓30年

2020-11-11
來(lái)源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: 晶圓代工 產(chǎn)能吃緊

  近來(lái),多家媒體報(bào)道,晶圓代工產(chǎn)能供不應(yīng)求,以臺(tái)積電為首的代工廠第四季訂單全滿,然而車(chē)用芯片訂單近期大幅釋出并尋求晶圓代工廠支援,,導(dǎo)致產(chǎn)能吃緊情況更為嚴(yán)重,后段封測(cè)廠同樣出現(xiàn)訂單塞車(chē)排隊(duì)情況。

  尤其是8(200mm)英寸晶圓,,受新冠疫情影響,,全球在家辦公、在線教育增多,,筆記本電腦,、平板類產(chǎn)品需求增長(zhǎng),從而拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)IC及其他半導(dǎo)體產(chǎn)品需求增長(zhǎng),,再加上華為在禁令生效前大舉拉貨,,代工廠協(xié)商產(chǎn)能,中小企業(yè)訂單延后,。在多重因素疊加的形勢(shì)下,,全球8英寸晶圓產(chǎn)能十分緊張。

  然而與這種火熱程度不匹配的是,,近年來(lái),,8英寸晶圓廠和產(chǎn)線數(shù)量的正在逐漸下滑,看起來(lái)像是要慢慢凋零,,12英寸(300mm)晶圓廠的擴(kuò)張及高端工藝制程的突破更是為此提供了強(qiáng)有力的佐證,。

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  12英寸晶圓廠擴(kuò)張情況 (左軸:設(shè)備支出;2020~2023 為預(yù)測(cè)值)

  資料來(lái)源:AnySilicon,,國(guó)盛證券研究所

  這其中涉及到哪些因素,?30年來(lái),8英寸晶圓廠到底經(jīng)歷了怎樣的變化,?都值得我們深究,。

  8英寸晶圓的30年

  眾所周知,在摩爾定律驅(qū)動(dòng)下,,芯片晶圓尺寸由 6英寸→8英寸→12英寸演變,。晶圓面積越大,所能生產(chǎn)的芯片就越多,,即降低成本又提高良率,。但相比于12英寸晶圓,8 英寸固定成本低,、達(dá)到成本效益生產(chǎn)量要求較低,、技術(shù)成熟等特點(diǎn)被應(yīng)用于功率器件、MEMS,、電源管理芯片等特色工藝芯片的制作,,與 12英寸形成互補(bǔ)。

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  晶圓尺寸發(fā)展歷史  來(lái)源:《矽龍:臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的傳奇》

  8英寸的生產(chǎn)業(yè)者通常為IDM和Foundry,。傳統(tǒng)IC市場(chǎng)可以分成領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和成熟產(chǎn)品兩類,,對(duì)應(yīng)12英寸與8英寸生產(chǎn)線各占半壁江山,。在前者,芯片制造商通常以16nm/14nm制程標(biāo)準(zhǔn),,在12英寸晶圓廠生產(chǎn)芯片,,但并非所有芯片都需求高級(jí)節(jié)點(diǎn),模擬芯片,、MEMS傳感器,、MCU等芯片可以在8英寸及以下更小晶圓廠所生產(chǎn)。

  1990年IBM聯(lián)合西門(mén)子建立第一個(gè)8寸晶圓廠之后,,一度成為業(yè)內(nèi)先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),,8寸晶圓廠迅速增加,1995 年即達(dá)到70座,,在2007年達(dá)到頂峰——200座,產(chǎn)能也達(dá)到560萬(wàn)片/月的歷史高點(diǎn),。之后全球金融危機(jī)爆發(fā),,全球8英寸產(chǎn)線產(chǎn)能的持續(xù)擴(kuò)充才告一段落。

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  全球8寸晶圓廠產(chǎn)能合計(jì)及晶圓廠數(shù)目 數(shù)據(jù)來(lái)源:SEMI

  金融危機(jī)來(lái)臨后,,8英寸晶圓廠數(shù)目及產(chǎn)能快速收縮,,雖然2009年整體產(chǎn)能有所恢復(fù),但受12英寸晶圓廠產(chǎn)能快速釋放的擠壓,,8英寸產(chǎn)能并未恢復(fù)到前期高點(diǎn)且在2010-2014年整體產(chǎn)能也未發(fā)生明顯改變,。到2015年時(shí)僅剩 178 條。

  2015年是8英寸晶圓廠重新爆發(fā)的元年,。隨著物聯(lián)網(wǎng)體系逐漸成熟鋪開(kāi),,隨處可見(jiàn)的智能產(chǎn)品不僅帶來(lái)了MCU的需求,而且?guī)?lái)了電源芯片,、指紋識(shí)別產(chǎn)品的增長(zhǎng),,同時(shí)工業(yè)、汽車(chē)電子應(yīng)用需求也大幅攀升,,這些產(chǎn)品恰好也對(duì)應(yīng)8英寸晶圓廠做對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域,,8英寸產(chǎn)品線供需出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

  根據(jù)Semico Research的數(shù)據(jù)觀點(diǎn),,這一供求現(xiàn)象在2015年底出現(xiàn)顯著變化,,在以往被認(rèn)為成熟和落后制程的8英寸晶圓線產(chǎn)品的訂單需求不斷增加,這些芯片可以在較舊的8英寸晶圓廠中生產(chǎn),,但因?yàn)闆](méi)有對(duì)8英寸晶圓廠的持續(xù)投資,,芯片制造商的產(chǎn)能已經(jīng)不能滿足需求。于是,,從2016年到2018年,,8英寸晶圓廠產(chǎn)能已售罄。

  另外,在2010~2016年間,,約超過(guò)20座6英寸晶圓廠關(guān)閉,,如分立器件、功率器件,、MEMS,、模擬芯片等產(chǎn)品需求切換至8英寸晶圓,額外的加重了8英寸產(chǎn)能的負(fù)擔(dān),。

  饒是如此,,鑒于8 寸晶圓廠由于運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng),設(shè)備老舊,,同時(shí)12寸晶圓廠資本支出規(guī)模巨大,,部分廠商仍然在這些年中逐漸關(guān)閉了8寸晶圓廠,設(shè)備廠商也停止生產(chǎn)8寸設(shè)備,。目前 8 寸設(shè)備主要來(lái)自二手市場(chǎng),,多來(lái)來(lái)自從8英寸向12英寸升級(jí)的內(nèi)存廠商,如三星和海力士,,目前舊設(shè)備市場(chǎng)資源逐漸枯竭,,因此2014年后8寸晶圓設(shè)備較為緊缺,其中蝕刻機(jī),、光刻機(jī),、測(cè)量設(shè)備最難獲得。

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  全球晶圓制造設(shè)備資本支出 數(shù)據(jù)來(lái)源:SEMI

  根據(jù)智研咨詢發(fā)布的資料顯示,,以中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)為例,,除了中芯國(guó)際,華虹在起步階段購(gòu)買(mǎi)不少新設(shè)備之外,,其余的大部分廠都是以二手設(shè)備為主,。如和艦在建造第一條生產(chǎn)線時(shí)除了光刻機(jī)從Nikon購(gòu)買(mǎi)有限幾臺(tái)之外,其余設(shè)備包括CMP,、刻蝕及測(cè)量設(shè)備大部分從美國(guó)LSILogic購(gòu)買(mǎi),。臺(tái)積電松江廠也是首先從臺(tái)灣轉(zhuǎn)移舊設(shè)備至大陸,然后適當(dāng)補(bǔ)充部分設(shè)備,,包括新及舊設(shè)備,。

  以2013年為例,當(dāng)時(shí)全球半導(dǎo)體二手設(shè)備市場(chǎng)占整個(gè)設(shè)備市場(chǎng)的比例約為6%左右,。具體從二手設(shè)備的構(gòu)成來(lái)看,,8英寸晶圓廠是二手設(shè)備需求的主要來(lái)源,8英寸晶圓廠占整個(gè)二手設(shè)備采購(gòu)比例約為53%,,該數(shù)值在2014年達(dá)到81%,。

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  二手設(shè)備是8寸晶圓廠設(shè)備投資中的主力 數(shù)據(jù)來(lái)源:SEMI

  面對(duì)中下游旺盛的需求,,盡管各8英寸晶圓廠商擴(kuò)產(chǎn)意愿較為強(qiáng)烈,但由于市場(chǎng)中新關(guān)閉的8英寸晶圓廠十分有限,,因此二手設(shè)備市場(chǎng)供給量下滑態(tài)勢(shì)并未得到改觀,,根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)前二手設(shè)備市場(chǎng)庫(kù)存量較2017年并未有明顯變化,。

  因此,,2018、2019年開(kāi)始出現(xiàn)8英寸晶圓產(chǎn)能緊缺的情況,,主要是手機(jī)多攝像頭,、指紋等帶動(dòng)CMOS圖像傳感器、指紋識(shí)別芯片等需求提升,。到2020年,,5G手機(jī)、汽車(chē),、物聯(lián)網(wǎng)等滲透率快速提升,,使得功率、電源管理,、功率器件等需求大增,再加上“疫情”驅(qū)動(dòng)在家辦公,、在線教育等需求增加,,使得筆記本、平板等電子產(chǎn)品需求增長(zhǎng),,從而拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)IC芯片,、分離式元件及其他半導(dǎo)體元件需求增長(zhǎng)。

  當(dāng)然更深入的原因是,,8英寸轉(zhuǎn)向12英寸生產(chǎn)線并不容易,。12英寸晶圓廠進(jìn)入門(mén)檻高,參與廠家數(shù)量較少,,此前中芯國(guó)際建立上海12英寸晶圓廠投資金額數(shù)量可知,,12英寸晶圓廠要求代工企業(yè)廠房潔凈室清潔度及設(shè)備的設(shè)計(jì)精密度要求很高,初期投資及后續(xù)研發(fā)投入巨大,,百億美元方能達(dá)到有效競(jìng)爭(zhēng)水平,,因此,盡管12英寸晶圓市場(chǎng)高速增長(zhǎng),,但直接參與競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)數(shù)量少,。

  代表先進(jìn)制程的12英寸晶圓廠主要面對(duì)產(chǎn)品是精密制程的電子產(chǎn)品,留給65nm及以上制程的空間并不多,,因?yàn)?2英寸廠的投資金額巨大也導(dǎo)致同樣產(chǎn)品代工費(fèi)用的高昂,,而成本的大幅提升,,這是對(duì)價(jià)格敏感的成熟制程產(chǎn)品所不希望看到的。同時(shí),,產(chǎn)品制程尺寸的減少,,會(huì)導(dǎo)致漏電量的增加,因此電源電池類應(yīng)用制程通常會(huì)選擇8英寸產(chǎn)品,,其他例如MEMS感應(yīng)器,、LED照明等產(chǎn)品線上,8英寸的相對(duì)優(yōu)勢(shì)也較大,。

  8英寸晶圓強(qiáng)勢(shì)回歸

  然而,,對(duì)晶圓廠來(lái)說(shuō),擴(kuò)建或者新建8英寸晶圓廠也非易事,。

  首先是設(shè)備難尋,,正如前文所言,大部分8英寸設(shè)備通過(guò)二手購(gòu)入,,如今越來(lái)越稀少,。此外,8英寸設(shè)備的工藝分界線原來(lái)在90nm,,現(xiàn)階段已經(jīng)上移至65nm等,,導(dǎo)致8英寸生產(chǎn)線的投資金額大幅上升。

  瑕不掩瑜,,8英寸晶圓產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游都呈現(xiàn)出滿載狀態(tài),。有限的供給和旺盛的多元化需求,大大提高行業(yè)的價(jià)值鏈變化,,讓市場(chǎng)開(kāi)始重新審視8英寸晶圓線的投資與價(jià)值,。

  目前已有不少?gòu)S商開(kāi)始擴(kuò)建8英寸晶圓廠或擴(kuò)充產(chǎn)能。

  具體到今年來(lái)看,,不久前,,外媒報(bào)道,針對(duì)8英寸產(chǎn)能供不應(yīng)求的局面,,全球排名第二的晶圓代工廠三星電子正考慮針對(duì)旗下的8英寸晶圓廠進(jìn)行自動(dòng)化擴(kuò)建投資,,以提高生產(chǎn)效率。

  三星不是個(gè)例,,近幾年,,包括臺(tái)積電、聯(lián)電,、世界先進(jìn),、中芯國(guó)際和華虹半導(dǎo)體在內(nèi)的廠商,都在想各種辦法擴(kuò)充8英寸晶圓代工產(chǎn)能,。

  臺(tái)積電于2018年12月宣布在臺(tái)南廠區(qū)新建8英寸晶圓廠,。這是2003年在上海松江8英寸廠成立后,,臺(tái)積電15年來(lái)第一次新建8英寸廠。一直以來(lái),,臺(tái)積電將一些8英寸產(chǎn)能外包給了世界先進(jìn),。

  在2019年,格羅方德宣布將購(gòu)買(mǎi)紐約州馬爾他鎮(zhèn)的一處土地用作建設(shè)先進(jìn)的8英寸晶圓廠,,以應(yīng)未來(lái)成長(zhǎng)需求,。

  最近幾年,聯(lián)電在大陸的產(chǎn)能擴(kuò)充動(dòng)作頻頻,,特別是位于蘇州的8英寸廠和艦,,接單越來(lái)越多,據(jù)悉,,和艦月產(chǎn)能已從前年的6.4萬(wàn)片,,去年底達(dá)到7.7萬(wàn)片。日前,,外媒指出,,援引市場(chǎng)消息人士的透露報(bào)道稱,聯(lián)電在考慮收購(gòu)閑置且成熟的8英寸晶圓廠,。在報(bào)道中,,外媒提到的聯(lián)華電子高管,現(xiàn)任聯(lián)席總裁簡(jiǎn)山傑透露聯(lián)華電子正在尋求收購(gòu)閑置且成熟的8英寸晶圓廠,。

  看向國(guó)內(nèi)大陸地區(qū),,中芯國(guó)際也表示,受惠于訂單強(qiáng)勁,,預(yù)計(jì)在今年內(nèi)于天津,、上海,、深圳三個(gè)8英寸晶圓生產(chǎn)基地增加3萬(wàn)片/月的產(chǎn)能,。在12寸晶圓方面,中芯國(guó)際預(yù)計(jì)增加2萬(wàn)片/月產(chǎn)能,。

  華虹半導(dǎo)體擁有3座8英寸晶圓廠,,2019年月產(chǎn)能由17.4萬(wàn)片增至20.1萬(wàn)片8英寸等值晶圓,產(chǎn)能利用率為91.2%,。2020年市場(chǎng)需求好于預(yù)期,,華虹半導(dǎo)體8英寸產(chǎn)能利用率已到達(dá)100%,12英寸產(chǎn)能利用率不斷上升,。

  SEMI報(bào)告稱,,新工廠8英寸的產(chǎn)能中,37%將專用于替換工廠,,24%專用于內(nèi)存,,17%專用于微處理器,。物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)的8英寸容量需求市場(chǎng)。

  除了物聯(lián)網(wǎng),,自動(dòng)駕駛也將是傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用,。自驅(qū)動(dòng)不僅推動(dòng)了對(duì)傳感器的需求,也推動(dòng)了對(duì)功率半導(dǎo)體的需求,,這將推動(dòng)8英寸晶圓產(chǎn)能的消耗,。

  未來(lái),包括IGBT和場(chǎng)效應(yīng)晶體管在內(nèi)的功率半導(dǎo)體的使用將大大增加,。這將推動(dòng)8英寸晶圓的市場(chǎng)需求,。此外,NOR Flash存儲(chǔ)器也是消耗8英寸生產(chǎn)能力的方向之一,。目前大部分內(nèi)存市場(chǎng)具有12英寸芯片生產(chǎn)能力,,部分NOR Flash主要使用8英寸芯片。

  18英寸晶圓去哪了,?

  在30 年后的今天,,8英寸晶圓市場(chǎng)展現(xiàn)出越來(lái)越火熱的趨勢(shì),這與不斷追求先進(jìn)工藝的半導(dǎo)體市場(chǎng)似乎不太符合,。按照一貫的流程,,目前早已是12英寸晶圓的天下,而18(450mm)英寸晶圓也應(yīng)該開(kāi)始量產(chǎn)了,。

  畢竟在幾年前,,包括 G450C(英特爾、臺(tái)積電,、Globalfoundries,、IBM、三星以及美國(guó)紐約州立大學(xué)理工學(xué)院的研發(fā)專案 Global 450 Consortium )成員在內(nèi)的主要芯片廠商都積極推動(dòng) 18英寸晶圓設(shè)備能最快在2018年就能于晶圓廠裝機(jī),。

  但事實(shí)上,,該組織已經(jīng)在2016年底悄悄地逐漸停止運(yùn)作,成員廠商的結(jié)論是目前的時(shí)機(jī)不適合邁入可選擇的第二階段計(jì)劃,。短短幾年前還在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界被熱烈討論的 18 英寸晶圓,,目前似乎已經(jīng)失去了背后的推動(dòng)力,至少在目前看來(lái)如此,。

  “18英寸晶圓議題可能會(huì)繼續(xù)沉寂 5~10 年,;”市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) VLSI Research 的執(zhí)行長(zhǎng)暨資深半導(dǎo)體設(shè)備分析師 G. Dan Hutcheson 表示:“也許它會(huì)起死回生,端看半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者是否會(huì)達(dá)成共識(shí),?!?/p>

  有從業(yè)者認(rèn)為,這是18英寸晶圓產(chǎn)線發(fā)展上遇到了資金和技術(shù)的雙重壓力,,導(dǎo)致晶圓廠向18英寸產(chǎn)線轉(zhuǎn)進(jìn)的速度急劇放緩,,半導(dǎo)體公司紛紛轉(zhuǎn)向努力增加12英寸和8英寸晶圓線的利用率,。

  雖然18 寸晶圓世代是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一定要驅(qū)動(dòng)的方向,但當(dāng)中面臨的技術(shù)障礙比預(yù)期高,,可能導(dǎo)致量產(chǎn)時(shí)程延后,,目前全球有能力進(jìn)入 18英寸晶圓世代的半導(dǎo)體廠很少。

  同時(shí),,半導(dǎo)體廠要降低生產(chǎn)成本可透過(guò)制程微縮或增加晶圓尺寸,,由于制程微縮已見(jiàn)瓶頸,尤其10納米以下難度大增,,目前似乎只有增加晶圓尺寸來(lái)擴(kuò)大產(chǎn)出,,進(jìn)而降低成本,盡管從12英寸轉(zhuǎn)至18英寸晶圓面積可多出 1.25 倍,,但因?yàn)橥度胙邪l(fā)和蓋廠費(fèi)用飆升,,估計(jì)一座12英寸廠成本約 25 億美元,但 18英寸廠要 100 億美元起跳,,讓廠商躊躇不前,。

  當(dāng)然,一些半導(dǎo)體大廠如英特爾曾宣布投資 41 億美元,,入股最關(guān)鍵的微影設(shè)備大廠 ASML ,,第一階段的研發(fā)重點(diǎn)是 450mm Lithography 技術(shù),將分 5 年投入 6.8 億美元,,加上普通股投資約 21 億美元取得 10%股權(quán),,而第二階段則是 EUV Lithography 技術(shù)開(kāi)發(fā),同樣也分為 5 年,,約投入 10.2 億美元做技術(shù)研發(fā),,另外投資 10 億美元取得 5%股權(quán)。臺(tái)積電,、三星電子對(duì) ASML 也有類似的策略性投資,。

  總結(jié)

  8英寸晶圓的再度火熱似乎給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了一個(gè)重新審視工藝的機(jī)會(huì),畢竟靠此賺的盆滿缽滿的聯(lián)電在成熟制程方面賭贏了一把,。

  總體來(lái)說(shuō),,雖然追逐先進(jìn)制程是永恒的主題,,但是老瓶裝新酒的8英寸晶圓廠依然有巨大的潛力可挖,。

              


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