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              【芯視野】8寸晶圓:無解的產能困局?

              來源:愛集微

              #芯視野#

              05-05 10:58

              停產!停產!停產!

              缺芯的汽車業一片哀嚎,而這種史無前例的局面還在擴大,家電、消費電子等眾多行業都不能幸免。

              處在震中的8寸晶圓產能依然沒有緩解之跡象,在報價持續提升之時,已經出現了通過競標來搶產能的局面。

              曾經被認為落后于時代的8寸晶圓代工,儼然成了左右全球半導體行業命運的關鍵。

              下游缺水

              始于2020年的缺芯潮在2021年會如何演變,很多媒體和機構都曾給出預測。比如,路透社在2020年12月17日的報道中指出,受到8英寸晶圓產能不足以及其他一些因素的影響,未來全球手機、電腦等電子消費類產品和汽車的出貨量將不及預期。

              8英寸晶圓的主要應用是電源管理、CIS、功率器件,以及RF開關,MCU和顯示驅動器IC,當然還有MEMS傳感器。

              有機構曾作出分析,從供給面來看,近年8英寸晶圓的產能增長有限,然而CIS、電源管理芯片等需求量卻與日俱增,2021年供需狀況會進一步失衡。

              汽車行業為什么會成為重災區,就是因為汽車芯片對8寸晶圓的依賴性太強。根據相關統計數據,8寸晶圓需求占到了汽車半導體需求中的79%,12寸晶圓需求僅占比12%。

              如果從汽車各類半導體器件的用量來看,根據 Gartner的數據,ASIC/ASSP是用量最大的部分,占比33%;其次是MCU和分立器件,分別占比17%和15%;光電子、傳感器、模擬芯片分別占比10%、10%和7%;邏輯芯片和存儲芯片占比最小,分別為5%和2%。這其中的絕大部分產品都來自8寸線。

              熱門產品電源管理芯片也大部分出自8寸晶圓。進入5G時代,隨著快充、無線充電功能的加入,手機的電源管理芯片數量也從平均4-5顆增加到了7-8顆。如果按照2023年全球5G手機出貨量10億部來計算,全球范圍僅5G手機對8寸晶圓的需求就在1500萬片以上。

              在CIS方面,低像素(2M/5M 及以下)CIS芯片主要在8寸晶圓上生產。根據 Frost&Sullivan 的預測,200 萬及以下像素手機 CIS 芯片出貨量預計將從2020年的16.4億顆增長至2021 年的17.6億顆,并在之后3年中整體維持年均17.5億顆左右的旺盛需求。

              SEMI近日就指出,目前晶圓代工幾乎所有制程都逼近滿載,預估今、明年8寸產能吃緊情況,可能都不會緩解。

              根據集邦科技統計,全球共有8寸晶圓廠40座,33座在亞洲。臺灣地區以15座奪冠,其次為中國大陸的7座。就臺灣地區來看,則以聯電數量最多,旗下有7座8寸廠,8寸廠的產能每個月約有30萬片,僅低于臺積電的50萬片,高于第3名世界先進的24萬片。中芯國際的8寸產能排名第四。目前,所有8寸晶圓廠的產能都已經接近滿載。

              而且,8寸晶圓的生命力非常頑強,目前僅不足1/3模擬和混合信號半導體元器件將從8寸晶圓向12寸晶圓轉移,且進程緩慢,多以消費和無線通信為代表,而工業和汽車領域的應用則依然堅守8寸。

              圖 主要8寸晶圓代工廠產能利用率(截止2020Q3,源自東方證券)

              有業內人士指出,相比于12寸晶圓,8寸晶圓更容易受到季節性短缺或微小波折,當12英寸市場需要更多產能時,只需平衡新增產能和需求的關系,這在8英寸晶圓上是做不到的。加之8寸新產能增速不如12寸,供需平衡很難在短期改善。

              前日因 今日果

              雖然有疫情、中美貿易戰等原因,8寸晶圓短缺的種子其實早已種下。

              2008年開始,隨著更多廠商投身到了12英寸晶圓廠產能之中,導致全球8英寸晶圓廠數目及產能快速收縮。數據統計,從2008到2016年,至少超過30座8寸晶圓廠關閉,同時有超過10座廠從8寸轉換為12寸,2015~2017年全球8英寸晶圓廠產能增長速度僅約7%。

              另外,在2010~2016年間,約超過20座6寸晶圓廠關閉,如分立器件、功率器件、MEMS、模擬芯片等產品需求切換至8寸晶圓,額外的加重了8寸產能的負擔。

              但是,在2015年卻開始了8寸晶圓的需求大爆發。當年,隨著物聯網進入成熟的發展階段,人工智能裝置的數量飆升,從而帶動了指紋識別產品、電源芯片、智能設備MCU等的需求。這些芯片可以在較舊的8寸晶圓廠中生產,但因為沒有對8寸晶圓廠的持續投資,芯片制造商的產能已經不能滿足需求。于是,從2016年到2018年,8英寸晶圓廠產能已售罄。

              設備廠商對這種現象最為敏感。KLA旗下公司SPTS Technologies的執行副總裁兼總經理David Butler曾表示:“在我們自己的統計數據中,較小晶圓市場的強勁表現非常明顯。從2010年到2015年,8寸或更小尺寸產品的銷售額占比有所下降,與12英寸產品占比接近對半開。然而過去5年發生了逆轉,8寸及更小尺寸設備的銷售占比再次回到2010年的水平?!?/p>

              這波反彈一直延續到2020年上半年,讓晶圓廠的8英寸線滿負荷運轉。例如,聯電在2020年第一季度的8英寸晶圓廠利用率就維持在90%的水平。

              聯電業務發展副總裁Walter Ng指出,8英寸產能的需求曾經是周期性的,但在過去幾年里發生了變化,8英寸的需求一直處于高位。8英寸上生產的許多芯片都是生命周期很長的產品,也將在很長時間內繼續使用成熟制程。同時還有許多新產品被開發出來,也希望能利用8英寸節點的技術和成本優勢。這將催生8寸晶圓的新范式,在可預見的未來,供不應求的狀態將持續存在。

              擴產艱難

              近日,世界先進開啟了擴產計劃,通過購入的友達L3B廠來實現每月約4萬片的8英寸晶圓產能,以因應客戶不斷增加的中長期產能需求。

              中芯國際聯合CEO趙海軍也在2020年第四季度電話財報會議上透露,公司在2021年將擴充4.5萬片的8英寸月產能,另外12英寸也將擴充1萬片/月。

              在洶涌的產能缺口面前,這些擴產計劃都有些杯水車薪的意味。

              近年來,除了臺積電宣布在南科六廠旁新建一座8英寸廠,全球幾乎不再有新的8寸純晶圓代工廠出現。

              原因也很簡單,買不到設備。

              由于設備大廠早已停止生產8英寸設備,市場上8英寸設備一機難求。因此,一種選擇是直接通過Fab設備供應商或OEM,其中許多都設有銷售新的和翻新工具的部門。OEM在開發具有最新功能的8英寸設備,但價格不菲。另一個選擇就是二手設備。

              目前 8 寸設備主要來自二手市場,多來來自從8英寸向12英寸升級的內存廠商,如三星和海力士,目前舊設備市場資源逐漸枯竭,因此2014年后8寸晶圓設備較為緊缺,其中蝕刻機、光刻機、測量設備最難獲得。

              韓國最大二手芯片設備經銷商Surplus Global Inc.的首席執行官Bruce Kim說:“二手設備需求旺盛,但我們的所擁有的設備不足以應付需求?!?/p>

              據他介紹,二手設備價格在過去6個月中上漲了多達20%,而翻新工具的庫存從十年前的7000到8000下降到了1000。

              一家大型芯片制造設備租賃公司的消息人士透漏,“二手機器價格每年都在漲,過去這一年,價格平均漲20%,關鍵的光刻機等設備,價格漲到原本的300%?!?/p>

              此外,8寸設備的工藝分界線原來在90nm,現階段已經上移至65nm等,導致8寸生產線的投資金額大幅上升。

              況且近期新增產能成本已和本世紀初相差不大,但是8寸晶圓價格相比本世紀初卻有大幅的下降,且建設的8寸晶圓廠預期使用年限更短,成本收益權衡下難有廠商繼續通過新建和擴建的方式大幅增加產能。未來產能僅有可能通過技改和新增設備的方式,但受限于有限的 潔凈室空間,潛在增量有限。

              設備行業人士就指出,國際半導體設備廠多已停止或減少8英寸廠設備生產,二手設備也無法真正湊齊完整的8英寸晶圓生產線,因此要擴充產能只能靠著提高晶圓廠生產效率。

              據此判斷,今年半導體市場上真正可量產的8寸晶圓廠產能增幅將十分有限。但是,來自半導體行業下游的需求卻有增無減,產能缺口恐還有擴大之勢。

              8寸晶圓的困局何時能夠破解,唯有時間能給出答案!

              (校對/Andrew )

              責編: 慕容素娟

              李延

              作者

              微信:Glxy523

              郵箱:lixy@lunion.com.cn

              作者簡介

              集微網記者,關注半導體投資、晶圓制造、IC設計、AI等領域

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