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預計:2021年8吋晶圓的IC生產(chǎn)能力將保持增長態(tài)勢

我快閉嘴 ? 來源:半導體行業(yè)觀察 ? 作者:半導體行業(yè)觀察 ? 2020-09-30 15:30 ? 次閱讀
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近期,晶圓代工產(chǎn)能越發(fā)緊張,一方面是因為行業(yè)一直處于供不應求的狀態(tài),而且已經(jīng)持續(xù)了一年左右的時間。另一方面,華為禁令效應也在客觀上起到了催化劑的作用,由于在禁令正式生效之前,華為大量下單各種芯片,進一步加劇了這種產(chǎn)能與需求之間的不平衡。

據(jù)中國臺灣地區(qū)媒體報道,由于代工產(chǎn)能供不應求,有IC設計廠商透露,聯(lián)電和世界先進已經(jīng)調(diào)漲近期新投片的價格,并通知客戶要調(diào)升今年第四季度與明年的代工價格。據(jù)悉,聯(lián)電的0.18微米制程,世界先進的0.15微米制程產(chǎn)能很滿。

總體來看,目前8吋(200mm)晶圓代工廠產(chǎn)能最吃緊,從0.13微米至0.18微米制程產(chǎn)能都很滿,而12吋(300mm)廠則是28nm以下制程產(chǎn)能最緊張。

特別是在8吋產(chǎn)能方面,最受業(yè)界關注,而漲價最為猛烈的,則是顯示面板驅動IC,一方面是因為今年大尺寸顯示面板銷售非常緊俏,推升了市場對相應驅動IC的需求,另外,過去幾年,驅動IC價格相對較低,具有很大的上漲空間。

價格漲幅百分比方面,有IC設計廠商表示,有些品類不只是個位數(shù),有MCU廠家表示,晶圓交期開始拖長后,雖然現(xiàn)階段尚未漲價,但現(xiàn)在若想額外增加投片,就要加價一至二成,而晶圓代工廠也正在與其洽談第四季度的漲價幅度,據(jù)說在談判桌上沒有多少話語權的廠商,也要遭受二成左右的加價。

在這樣的背景下,8吋產(chǎn)能緊張程度會延續(xù)到2021上半年,除非有廠商愿意從8吋轉至12吋晶圓生產(chǎn),只有這樣才能在短時間內(nèi)緩和8吋產(chǎn)能的緊張情況。目前看來,以晶粒較大的指紋辨識IC等產(chǎn)品轉到12吋生產(chǎn)的可行性較高。

指紋辨識IC廠商神盾證實,該公司確實從一、兩年前就著手規(guī)劃從8吋轉至12吋晶圓生產(chǎn),預計今年下半年流片,明年將會大量轉換。除了成本之外,產(chǎn)能是神盾此舉更重要的考量因素。

這就像當年6吋晶圓產(chǎn)能爆滿一樣,IC設計廠商只好在新產(chǎn)品設計時選擇8吋晶圓廠生產(chǎn),這段產(chǎn)能轉換的過渡期大約需要一至兩年。

大尺寸晶圓的宿命

晶圓尺寸越大,可利用效率越高。12吋晶圓擁有較大的晶方使用面積,得以達到效率最佳化,相對于8吋晶圓而言,12吋的可使用面積超過兩倍。

來自IC Insights的統(tǒng)計和預測顯示,2018-2021年間,全球范圍內(nèi)可量產(chǎn)的12吋晶圓廠每年都會增加,到2021年,將達到123家,而這一數(shù)字在2016年為98家,基本上所有新建設的晶圓廠都將用來生產(chǎn)目前急缺的DRAM、閃存,或者增強現(xiàn)有的代工能力。截至2016年底,12吋晶圓貢獻了全球IC晶圓廠產(chǎn)能的63.6%,預計到2021年底這一數(shù)字將達到71.2%,在這5年內(nèi),以硅片面積計算的年復合平均增長率達到8.1%。

無論從總體表面積,還是實際晶圓出貨量來看,12吋晶圓都是現(xiàn)在使用的主力晶圓尺寸。盡管如此,8吋晶圓廠仍然具備相當長的生命力。到2021年,8吋晶圓的IC生產(chǎn)能力預計仍將保持增長態(tài)勢,以可用硅片總面積計算,年均復合增長率預計為1.1%。不過,8吋晶圓占全球晶圓產(chǎn)能的份額,預計將從2016年的28.4%下降至2021年的22.8%。

目前,硅晶圓的主力是8吋和12吋的,然而,早些年,6吋(150mm)晶圓曾一度統(tǒng)治市場,6吋廠于1980年開始生產(chǎn),當時主要是英特爾在推動其發(fā)展,在那之前,4吋還是市場主力軍。8吋晶圓廠在1990年開始快速增長,當時是以IBM與西門子合作生產(chǎn)64位DRAM為代表,而12吋晶圓廠從2000年后開始穩(wěn)定增長。

產(chǎn)能方面,8吋晶圓在1998年超過6吋晶圓產(chǎn)能并在2007年達到頂峰,2008年,12吋晶圓產(chǎn)能超過8吋的,8吋晶圓產(chǎn)能在2008年到2009年間下降,但仍為增長趨勢。估計2018年到2019年間8吋晶圓產(chǎn)能近似于2006年的水平。

向大尺寸轉移

由于晶圓尺寸越大,成本效率越高,特別是在當下行業(yè)對產(chǎn)能要求大量增加的情況下,大尺寸,特別是12吋晶圓的優(yōu)勢越來越明顯,相關的轉型也在進行當中。

實際上,在多年以前,就有多家IDM和晶圓代工廠想將產(chǎn)能主力從8吋轉型到12吋,但難度很大,所以進展一直都比較緩慢。

早期的大部分6吋硅晶圓生產(chǎn)線都已經(jīng)轉向了8吋的,然而,受制于成本和性能等因素,8吋線轉向12吋產(chǎn)線較為困難,主要體現(xiàn)在:12吋晶圓廠進入門檻高,參與廠家數(shù)量較少,根據(jù)中芯國際新建上海12吋晶圓廠投資金額數(shù)量可知,12吋廠對代工企業(yè)廠房潔凈室清潔度及設備的精密度要求很高,初期投資及后續(xù)研發(fā)投入巨大,要達到百億美元級別才能具備市場競爭力。因此,盡管12吋晶圓市場高速增長,但直接參與競爭的企業(yè)數(shù)量依然是少數(shù)。

另外,代表先進制程的12吋晶圓廠生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是精密制程的芯片,留給65nm及以上制程的空間并不多,12吋廠的投資金額巨大也導致代工費用高昂,而這是對價格敏感的成熟制程產(chǎn)品所不希望看到的。同時,制程尺寸的微縮,會導致漏電的增加,因此,電池供電類應用通常會選擇8吋產(chǎn)線,另外,MEMS傳感器、LED等產(chǎn)品,采用8吋晶圓更具優(yōu)勢。

也正是因為如此,8吋晶圓廠具有相當長的生命周期。特別是由于市場對PMIC、顯示驅動IC,CMOS圖像傳感器(CIS),MCU,MEMS和其它特征尺寸》90nm制程工藝技術的器件的強勁需求,晶圓代工廠從中受益頗多。這些器件是許多物聯(lián)網(wǎng)應用的關鍵組件,物聯(lián)網(wǎng)為8吋晶圓廠注入了新的活力。

不過,近些年,隨著市場對存儲和邏輯芯片需求的增加,特別是14nm及更先進制程的普及,市場對12吋晶圓的需求日益迫切,這方面的成本效率越發(fā)突出。因此,8吋向12吋晶圓轉型的速度開始加快。

成本效率方面,以臺積電最新的5nm制程芯片為例簡單說明一下。

著名半導體博客作者RetiredEngineer列出了臺積電在2020年每個節(jié)點的假想芯片銷售價格。

該模型基于假想的5nm芯片,該芯片大小為Nvidia P100 GPU(610 平方毫米,907億個晶體管)。就每個12吋晶圓的代工銷售價格而言,該模型考慮了諸如CapEx,能耗,折舊,組裝,測試和封裝成本,晶圓代工營業(yè)利潤率以及一些其他因素。

據(jù)估計,臺積電使用5nm制程技術的12吋晶圓售價約為16988美元。相比之下,使用其7nm制程節(jié)點的12吋晶圓價格約為9346美元,使用16nm或12nm制程技術制造的12吋晶圓的價格為3984美元。

雖然5nm制程的12吋晶圓成本最高,但是,即使按當前成本計算,由于其高晶體管密度和性能,對于高度復雜的芯片制造商來說,使用臺積電的領先工藝也很有意義。根據(jù)提供的數(shù)字,使用5nm制程制造610平方毫米芯片的成本為238美元,而使用7nm生產(chǎn)相同芯片的成本為233美元??梢姡瑑煞N制程的單個芯片成本幾乎相同,之所以如此,一個很重要的原因就是相對于8吋晶圓,在12吋晶圓上可以制造出更多的芯片,這樣就攤薄了單個芯片的成本。

1995年,全球8吋晶圓廠的數(shù)量為70個,到2007年達到歷史最高峰的200個,到2015年底又降至180個,1999到2018年間,全球總共關閉了76家8吋晶圓廠,在2008-2009年金融危機期間,多數(shù)8吋晶圓廠關閉或轉型到12吋晶圓廠,關閉的晶圓廠主要分布在美國、日本、歐洲以及中東地區(qū)。從2016年開始,8吋晶圓廠關閉速度開始減緩。

2008到2016年期間,總共有15座晶圓廠從8吋轉型為12吋的。

不只是在存儲和邏輯芯片方面,模擬和模數(shù)混合芯片廠商也越來越多地向12吋產(chǎn)線轉移,典型代表就是德州儀器(TI)和ADI。

以TI為例,今年年初,該公司表示,將在未來幾年內(nèi)關閉其最后兩個6吋晶圓廠,同時,在其德克薩斯州Richardson工廠建造下一個12吋晶圓廠。德州儀器投資者關系主管Dave Pahl在電話會議上說:“這將是一項多年計劃,預計不遲于2023年至2025年完成?!盤ahl表示,每年在這兩個6吋晶圓廠生產(chǎn)約15億美元的產(chǎn)品,很大一部分將轉移到12吋廠,從而提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益。

TI表示,建成后,這座新工廠將能提供具有競爭力的交貨時間和成本的產(chǎn)品,因為更大的12吋晶圓生產(chǎn)的模擬芯片數(shù)量是6吋晶圓的兩倍以上。

在模擬芯片市場,像TI、ADI、Maxim這樣的廠商,都有著高于行業(yè)平均水平的毛利率。以TI為例,在過去10年內(nèi),其利潤和利潤率保持上升態(tài)勢,并在2018年創(chuàng)造了新高。按照TI的說法,創(chuàng)造高利潤率與他們用12吋晶圓廠生產(chǎn)模擬芯片、降低成本有關。數(shù)據(jù)顯示,TI的模擬芯片在2018年的運營利潤率高達46.7%。

近些年,TI一直在穩(wěn)步提升其12吋晶圓模擬芯片的產(chǎn)量,以削減成本并提高生產(chǎn)效率。TI表示,12吋晶圓廠的產(chǎn)量比競爭對手使用的8吋工藝生產(chǎn)的芯片便宜40%。此外,對于模擬用途,12吋晶圓廠的投資回報率可能更高,因為它可以使用20到30年。

TI將很多邏輯和嵌入式IC生產(chǎn)外包給代工廠,但模擬芯片主要都是在其自家的工廠生產(chǎn)。該公司目前擁有兩個12吋晶圓廠,截至2017年,其12吋晶圓模擬芯片產(chǎn)量占其整體模擬芯片產(chǎn)量的40%,而到了2018年,這一比例提升到了50%左右??紤]到5GIoT、汽車和云計算等應用的成熟和大規(guī)模擴展,會推動相關模擬芯片需求的增長,因此,該公司有充分的理由進行12吋晶圓廠擴展,以保持并進一步提升其高利潤率。

遙遠的18吋時代

在未來15-20年內(nèi),12吋晶圓廠在半導體制造業(yè)內(nèi)將保持主流地位,因此,12吋硅片在未來至少25年內(nèi)將保持樂觀的發(fā)展態(tài)勢。與此同時,近些年,業(yè)界也在關注更大尺寸的18吋晶圓,不過,由于其成本過于高昂,從投入產(chǎn)出比或成本效率方面來講,不如12吋劃算。因此,18吋晶圓廠數(shù)量在未來15年內(nèi)可能會有小幅增長,但總體數(shù)量有限,也有預測到2030年,將有超過35座18吋晶圓廠。目前來看,同12吋相似,18吋晶圓主要用來制造ASIC和存儲芯片。

第三代半導體進軍8吋晶圓

以上談的都是以硅為主要材料載體的晶圓,12吋是主力。

而在另一個化合物半導體世界里,特別是第三代半導體,目前仍以6吋及4吋晶圓為主。然而,隨著應用需求的增長,對相應芯片的需求日益增多,特別是以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體的啟航,以前的“小眾”產(chǎn)品和市場,一點點地走到了舞臺的中央,在這樣的背景下,同硅片一樣,就需要考慮投入產(chǎn)出比或成本效率了。因此,近兩年,一些專注于第三代半導體的IDM或晶圓代工廠開始向8吋晶圓轉移,法國的SOITEC就是其中一家,該公司在碳化硅晶圓方面就在向8吋轉移。不過,就目前來看,第三代半導體在相當長的一段時間內(nèi),仍將以6吋及4吋晶圓為主,8吋則代表著未來。
責任編輯:tzh

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