[原创] 晶圆厂产能不足下的思考
2020-09-30
14:00:05
来源: 半导体行业观察
近期，晶圆代工产能越发紧张，一方面是因为行业一直处于供不应求的状态，而且已经持续了一年左右的时间。另一方面，华为禁令效应也在客观上起到了催化剂的作用，由于在禁令正式生效之前，华为大量下单各种芯片，进一步加剧了这种产能与需求之间的不平衡。
据中国台湾地区媒体报道，由于代工产能供不应求，有IC设计厂商透露，联电和世界先进已经调涨近期新投片的价格，并通知客户要调升今年第四季度与明年的代工价格。据悉，联电的0.18微米制程，世界先进的0.15微米制程产能很满。
总体来看，目前8吋（200mm）晶圆代工厂产能最吃紧，从0.13微米至0.18微米制程产能都很满，而12吋（300mm）厂则是28nm以下制程产能最紧张。
特别是在8吋产能方面，最受业界关注，而涨价最为猛烈的，则是显示面板驱动IC，一方面是因为今年大尺寸显示面板销售非常紧俏，推升了市场对相应驱动IC的需求，另外，过去几年，驱动IC价格相对较低，具有很大的上涨空间。
价格涨幅百分比方面，有IC设计厂商表示，有些品类不只是个位数，有MCU厂家表示，晶圆交期开始拖长后，虽然现阶段尚未涨价，但现在若想额外增加投片，就要加价一至二成，而晶圆代工厂也正在与其洽谈第四季度的涨价幅度，据说在谈判桌上没有多少话语权的厂商，也要遭受二成左右的加价。
在这样的背景下，8吋产能紧张程度会延续到2021上半年，除非有厂商愿意从8吋转至12吋晶圆生产，只有这样才能在短时间内缓和8吋产能的紧张情况。目前看来，以晶粒较大的指纹辨识IC等产品转到12吋生产的可行性较高。
指纹辨识IC厂商神盾证实，该公司确实从一、两年前就着手规划从8吋转至12吋晶圆生产，预计今年下半年流片，明年将会大量转换。除了成本之外，产能是神盾此举更重要的考量因素。
这就像当年6吋晶圆产能爆满一样，IC设计厂商只好在新产品设计时选择8吋晶圆厂生产，这段产能转换的过渡期大约需要一至两年。
晶圆尺寸越大，可利用效率越高。12吋晶圆拥有较大的晶方使用面积，得以达到效率最佳化，相对于8吋晶圆而言，12吋的可使用面积超过两倍。
来自IC Insights的统计和预测显示，2018-2021年间，全球范围内可量产的12吋晶圆厂每年都会增加，到2021年，将达到123家，而这一数字在2016年为98家，基本上所有新建设的晶圆厂都将用来生产目前急缺的DRAM、闪存，或者增强现有的代工能力。截至2016年底，12吋晶圆贡献了全球IC晶圆厂产能的63.6%，预计到2021年底这一数字将达到71.2%，在这5年内，以硅片面积计算的年复合平均增长率达到8.1%。
无论从总体表面积，还是实际晶圆出货量来看，12吋晶圆都是现在使用的主力晶圆尺寸。尽管如此，8吋晶圆厂仍然具备相当长的生命力。到2021年，8吋晶圆的IC生产能力预计仍将保持增长态势，以可用硅片总面积计算，年均复合增长率预计为1.1%。不过，8吋晶圆占全球晶圆产能的份额，预计将从2016年的28.4%下降至2021年的22.8%。
目前，硅晶圆的主力是8吋和12吋的，然而，早些年，6吋（150mm）晶圆曾一度统治市场，6吋厂于1980年开始生产，当时主要是英特尔在推动其发展，在那之前，4吋还是市场主力军。8吋晶圆厂在1990年开始快速增长，当时是以IBM与西门子合作生产64位DRAM为代表，而12吋晶圆厂从2000年后开始稳定增长。
产能方面，8吋晶圆在1998年超过6吋晶圆产能并在2007年达到顶峰，2008年，12吋晶圆产能超过8吋的，8吋晶圆产能在2008年到2009年间下降，但仍为增长趋势。估计2018年到2019年间8吋晶圆产能近似于2006年的水平。
由于晶圆尺寸越大，成本效率越高，特别是在当下行业对产能要求大量增加的情况下，大尺寸，特别是12吋晶圆的优势越来越明显，相关的转型也在进行当中。
实际上，在多年以前，就有多家IDM和晶圆代工厂想将产能主力从8吋转型到12吋，但难度很大，所以进展一直都比较缓慢。
早期的大部分6吋硅晶圆生产线都已经转向了8吋的，然而，受制于成本和性能等因素，8吋线转向12吋产线较为困难，主要体现在：12吋晶圆厂进入门槛高，参与厂家数量较少，根据中芯国际新建上海12吋晶圆厂投资金额数量可知，12吋厂对代工企业厂房洁净室清洁度及设备的精密度要求很高，初期投资及后续研发投入巨大，要达到百亿美元级别才能具备市场竞争力。因此，尽管12吋晶圆市场高速增长，但直接参与竞争的企业数量依然是少数。
另外，代表先进制程的12吋晶圆厂生产的产品主要是精密制程的芯片，留给65nm及以上制程的空间并不多，12吋厂的投资金额巨大也导致代工费用高昂，而这是对价格敏感的成熟制程产品所不希望看到的。同时，制程尺寸的微缩，会导致漏电的增加，因此，电池供电类应用通常会选择8吋产线，另外，MEMS传感器、LED等产品，采用8吋晶圆更具优势。
也正是因为如此，8吋晶圆厂具有相当长的生命周期。特别是由于市场对PMIC、显示驱动IC，CMOS图像传感器（CIS），MCU，MEMS和其它特征尺寸>90nm制程工艺技术的器件的强劲需求，晶圆代工厂从中受益颇多。这些器件是许多物联网应用的关键组件，物联网为8吋晶圆厂注入了新的活力。
不过，近些年，随着市场对存储和逻辑芯片需求的增加，特别是14nm及更先进制程的普及，市场对12吋晶圆的需求日益迫切，这方面的成本效率越发突出。因此，8吋向12吋晶圆转型的速度开始加快。
成本效率方面，以台积电最新的5nm制程芯片为例简单说明一下。
著名半导体博客作者RetiredEngineer列出了台积电在2020年每个节点的假想芯片销售价格。
该模型基于假想的5nm芯片，该芯片大小为Nvidia P100 GPU（610 平方毫米，907亿个晶体管）。就每个12吋晶圆的代工销售价格而言，该模型考虑了诸如CapEx，能耗，折旧，组装，测试和封装成本，晶圆代工营业利润率以及一些其他因素。
据估计，台积电使用5nm制程技术的12吋晶圆售价约为16988美元。相比之下，使用其7nm制程节点的12吋晶圆价格约为9346美元，使用16nm或12nm制程技术制造的12吋晶圆的价格为3984美元。
虽然5nm制程的12吋晶圆成本最高，但是，即使按当前成本计算，由于其高晶体管密度和性能，对于高度复杂的芯片制造商来说，使用台积电的领先工艺也很有意义。根据提供的数字，使用5nm制程制造610平方毫米芯片的成本为238美元，而使用7nm生产相同芯片的成本为233美元。可见，两种制程的单个芯片成本几乎相同，之所以如此，一个很重要的原因就是相对于8吋晶圆，在12吋晶圆上可以制造出更多的芯片，这样就摊薄了单个芯片的成本。
1995年，全球8吋晶圆厂的数量为70个，到2007年达到历史最高峰的200个，到2015年底又降至180个，1999到2018年间，全球总共关闭了76家8吋晶圆厂，在2008-2009年金融危机期间，多数8吋晶圆厂关闭或转型到12吋晶圆厂，关闭的晶圆厂主要分布在美国、日本、欧洲以及中东地区。从2016年开始，8吋晶圆厂关闭速度开始减缓。
2008到2016年期间，总共有15座晶圆厂从8吋转型为12吋的。
不只是在存储和逻辑芯片方面，模拟和模数混合芯片厂商也越来越多地向12吋产线转移，典型代表就是德州仪器（TI）和ADI。
以TI为例，今年年初，该公司表示，将在未来几年内关闭其最后两个6吋晶圆厂，同时，在其德克萨斯州Richardson工厂建造下一个12吋晶圆厂。德州仪器投资者关系主管Dave Pahl在电话会议上说：“这将是一项多年计划，预计不迟于2023年至2025年完成。”Pahl表示，每年在这两个6吋晶圆厂生产约15亿美元的产品，很大一部分将转移到12吋厂，从而提高生产率和经济效益。
TI表示，建成后，这座新工厂将能提供具有竞争力的交货时间和成本的产品，因为更大的12吋晶圆生产的模拟芯片数量是6吋晶圆的两倍以上。
在模拟芯片市场，像TI、ADI、Maxim这样的厂商，都有着高于行业平均水平的毛利率。以TI为例，在过去10年内，其利润和利润率保持上升态势，并在2018年创造了新高。按照TI的说法，创造高利润率与他们用12吋晶圆厂生产模拟芯片、降低成本有关。数据显示，TI的模拟芯片在2018年的运营利润率高达46.7%。
近些年，TI一直在稳步提升其12吋晶圆模拟芯片的产量，以削减成本并提高生产效率。TI表示，12吋晶圆厂的产量比竞争对手使用的8吋工艺生产的芯片便宜40％。此外，对于模拟用途，12吋晶圆厂的投资回报率可能更高，因为它可以使用20到30年。
TI将很多逻辑和嵌入式IC生产外包给代工厂，但模拟芯片主要都是在其自家的工厂生产。该公司目前拥有两个12吋晶圆厂，截至2017年，其12吋晶圆模拟芯片产量占其整体模拟芯片产量的40％，而到了2018年，这一比例提升到了50％左右。考虑到5G，IoT、汽车和云计算等应用的成熟和大规模扩展，会推动相关模拟芯片需求的增长，因此，该公司有充分的理由进行12吋晶圆厂扩展，以保持并进一步提升其高利润率。
在未来15-20年内，12吋晶圆厂在半导体制造业内将保持主流地位，因此，12吋硅片在未来至少25年内将保持乐观的发展态势。与此同时，近些年，业界也在关注更大尺寸的18吋晶圆，不过，由于其成本过于高昂，从投入产出比或成本效率方面来讲，不如12吋划算。因此，18吋晶圆厂数量在未来15年内可能会有小幅增长，但总体数量有限，也有预测到2030年，将有超过35座18吋晶圆厂。目前来看，同12吋相似，18吋晶圆主要用来制造ASIC和存储芯片。
以上谈的都是以硅为主要材料载体的晶圆，12吋是主力。
而在另一个化合物半导体世界里，特别是第三代半导体，目前仍以6吋及4吋晶圆为主。然而，随着应用需求的增长，对相应芯片的需求日益增多，特别是以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体的启航，以前的“小众”产品和市场，一点点地走到了舞台的中央，在这样的背景下，同硅片一样，就需要考虑投入产出比或成本效率了。因此，近两年，一些专注于第三代半导体的IDM或晶圆代工厂开始向8吋晶圆转移，法国的SOITEC就是其中一家，该公司在碳化硅晶圆方面就在向8吋转移。不过，就目前来看，第三代半导体在相当长的一段时间内，仍将以6吋及4吋晶圆为主，8吋则代表着未来。
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