晶圆厂产能不足下的思考

来源:内容来自半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:畅秋,谢谢!

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。

大尺寸晶圆的宿命

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。

向大尺寸转移

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。

遥远的18吋时代

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。

第三代半导体进军8吋晶圆

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。

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注