八英寸线路在何方?

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由于全球晶圆代工产能供给吃紧,业界陆续出现将原本用8英寸晶圆生产的芯片,通过更改制程设计,升级到12英寸晶圆厂生产,以缓解产能吃紧压力。

  本周,8英寸晶圆代工大厂世界先进董事长暨总经理方略表示,目前8英寸晶圆设备愈来愈难取得,若想持续扩充产能,就要考虑向12英寸晶圆厂转换。

  8英寸晶圆代工产能自2018年开始吃紧,至今仍未看到缓解迹象,甚至越来越严峻,世界先进、联电已相继证实涨价消息,并表示订单将满到2022年。过去,8英寸晶圆代工被视为落后、老旧的产线,现在却能让客户不惜捧着现金加价,也要抢到8 英寸产能。

  今年早些时候,业界传出,有一批0.13微米的8英寸晶圆产能竞标,最终以每片1000美元中标,远超乎市场行情。台积电8英寸晶圆产能报价大约600~800美元,世界先进约为400~600美元。这波缺货主要是以车用半导体、MCU、电源管理IC、面板驱动IC为主。

  为何8英寸市场如此紧俏?

  全球8英寸晶圆厂数量在2007年达到高峰,之后许多厂房陆续关闭或转型成12英寸厂。据集邦科技(TrendForce)统计,以目前全球前十大晶圆代工厂来看,8英寸晶圆厂共有40座,有33座在亚洲,其中,中国台湾15座,中国大陆7座,就厂商来看,联电数量最多,在两岸布局了8座8英寸晶圆厂。

  2018年的8英寸晶圆涨价潮,有一大部分原因在于IDM厂扩大分立器件订单,以及应对硅片涨价。而2020年以来的这波涨价,主要是由“宅经济”、5G,以及贸易战下厂商积极备料引发的。

  例如,5G手机所需要的半导体含量较4G高出许多,部分芯片用量更是倍增,例如电源管理IC在4G时代只需要1-2颗,而5G用量增至3~4颗;此外,多镜头潮流、指纹辨识传感器被大量导入手机,激发出更多需求,而这些芯片主要采用8英寸晶圆生产。

  另外,大部分模拟、分立器件市场由IDM大厂把持,如英飞凌、德州仪器(TI)等,但因产能有限,这些IDM通常会将订单外包给晶圆代工厂代工,同时,在从6英寸转向8英寸过程中,部分IDM的主要产能专注于12英寸线,没有额外增添8英寸线,这样就不得不将8英寸产品外包。因此,大部分IDM扩产幅度比需求增长幅度低,外包的比例会越来越高,这样就加剧了晶圆代工厂订单供不应求的局面。

  尽管许多芯片仍需要采用8英寸晶圆生产,以达到最适的成本效益,但是,12英寸仍是现今主流的晶圆尺寸,目前,不少设备商皆已停止生产8英寸晶圆加工设备,这也是8英寸厂难以扩充产能的原因之一。

  近些年,越来越多的厂商表态不会自建新的8英寸厂,主要原因在于投资一座8英寸厂约需要10亿美金,而其他竞争对手的8英寸厂多已折旧完毕,现在盖新厂并不具成本优势,多通过并购、购买二手设备、提高生产效率等方式扩产。

  二手设备也是一大难题,近几年,全球二手8英寸晶圆设备需求旺盛,开价也很高,不过,因为8英寸设备多已老旧,符合采购条件的数量较少。对晶圆代工厂来说,合适的二手设备可遇不可求,因此更常见的作法是在现有设备上增添新应用技术,以优化制程,或通过生产管理来提升效率与产能。

  并购方面,除台积电已明确指出不会买8英寸厂外,联电、世界皆表态会努力寻厂、伺机并购。以世界先进为例,近些年,该公司陆续买下两座8英寸晶圆厂,分别是2014年入手南亚科在桃园的8英寸晶圆厂,2020年初又以2.36亿美元并购格芯位于新加坡的3E 8英寸厂。

  向12英寸晶圆过渡

  2008到2016年期间,总共有15座晶圆厂从8英寸转型为12英寸的。与8英寸晶圆相比,12英寸的体现出了明显优势。

  两种尺寸的晶圆表面积的大小不同,以相同的良率标准做假设,一片12英寸晶圆可以生产约200多颗IC,是8英寸的两倍,在生产成本不需大幅提高的情况下,比较符合成本效益。但也因为一片12英寸晶圆产出的IC数量比较多,对应到终端需求,要有足够的量支撑,这也是很多厂商会停留在8英寸的原因,特别是中小规模IC设计厂商,需要的芯片数量有限,12英寸晶圆不经济。

  按芯片类型划分,电源管理IC、驱动IC、指纹辨识IC、CMOS图像传感器(CIS)、MOSFET、功率器件等主要采用8英寸晶圆,而12英寸生产的多为90nm制程以下,需要高效能、高速运算的芯片,如CPU、GPU、手机AP及网通芯片。

  早些年,大部分6英寸硅晶圆生产线都已经转向了8英寸的,然而,受制于成本和性能等因素,8英寸线转向12英寸产线较为困难,主要体现在:12英寸晶圆厂进入门槛高,参与厂家数量较少,根据中芯国际新建上海12英寸晶圆厂投资金额数量可知,12英寸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英寸晶圆市场高速增长,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英寸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英寸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英寸产线,另外,MEMS传感器、LED等产品,采用8英寸晶圆更具优势。

  也正是因为如此,8英寸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,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英寸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英寸晶圆的需求日益迫切,这方面的成本效率越发突出。因此,8英寸向12英寸晶圆转型的速度开始加快。

  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英寸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英寸晶圆贡献了全球IC晶圆厂产能的63.6%,预计到2021年底这一数字将达到71.2%。

  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英寸产线转移,典型代表就是德州仪器(TI)和ADI。

  近些年,TI一直在稳步提升其12英寸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英寸晶圆厂的产量比竞争对手使用的8英寸工艺生产的芯片便宜40%。此外,对于模拟用途,12英寸晶圆厂的投资回报率可能更高,因为它可以使用20到30年。

  不过,鉴于当下8英寸晶圆产能的短缺,8英寸向12英寸转移的脚步可能再次放缓。

  结语

  总体来看,8英寸晶圆代工供需不平衡的状况短期内难以缓解,产能吃紧的状况将延续到2022年。不过,仍有一些变数需要关注,包括终端需求、重复下单(overbooking)与国际政经局势变化等。因此,虽然8英寸晶圆向12英寸转换的大方向逐渐明朗,但前进的脚步和节奏将受到多种因素的制约和影响,恐怕会缓慢前行。

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