增加200mm晶圆产能是解决全球芯片短缺的关键?(附中国和全球8英寸晶圆厂完整清单)

传感器技术 2021-06-11 07:00

全球芯片短缺主要表现在成熟晶圆工艺生产的器件,包括电源管理、MCU、RF器件、传感器和各种分立器件等。全球200mm晶圆厂数量有限和产能不足是导致芯片短缺的一个主要原因。本文作者(顾正书/雷阳/ASPENCORE全球编辑群)尝试从以下几个方面来回答这个问题:增加200mm晶圆产能是否可以解决全球芯片短缺?

  1. 真正短缺的是模拟芯片

  2. 200mm晶圆发展简史

  3. 全球200mm晶圆产能现状及未来增长趋势

  4. 如何增加200mm晶圆产能?

  5. 台积电和中芯国际200mm晶圆产能

  6. 附录一:中国大陆200mm晶圆厂分布

  7. 附录二:全球200mm晶圆厂分布

真正短缺的是模拟芯片

新冠疫情造成了全世界恐慌,半导体产业和行业人士也不能幸免。尤其不幸的是,全球半导体供应链受到“牛鞭效应”的影响,去年下半年开始出现波及全球的“芯片荒”。一方面,疫情和自然灾害对晶圆厂产能造成了影响,同时芯片市场的囤货和恐慌心理人为抬高了芯片需求;另一方面政府、社会和媒体的渲染炒作让“芯片荒”现象更加膨胀,美国总统更是火上浇油,让全世界都跟着感染“芯片恐慌”。

撇开这些表面现象,让我们以系统性的眼光来探究一下“芯片荒”背后的真实原因。现在出现的芯片短缺并非孤立事件,也不是近期才有的问题,其实这是整个行业的系统性问题,是芯片制造商和半导体设备供应商在十多年前做出的决定所造成的结果,只不过由去年出现的“完美风暴(新冠疫情+中美科技战+5G/AI/IoT新兴应用)”引爆而已。

当前的芯片短缺不仅限于先进处理器和关键器件(采用300mm晶圆和14nm以下工艺制造),更多是那些不太关键但不可或缺的器件,比如所有电子设备都要用到的电源转换和管理芯片。打个普通老百姓熟悉的比方,山黑猪肉短缺会引起猪肉市场价格上涨,但毕竟不是每个人都必须吃山黑猪肉(类似高端芯片)。如果大米和面粉也短缺了,无论吃面包的西方人,吃面食的中国北方人,还是吃米饭的中国南方人,都会恐慌。对电子和高科技行业来说,电源管理和功率器件就相当于食品行业的大米和面粉。

除了每个电子设备必配的电源管理和功率器件外,将模拟信号转化为数字信号的ADC和信号链器件,以及无线连接和通信所需的RF器件,构成广泛意义上的“模拟芯片”。模拟器件的需求一直是相对平稳的,年增长率约为10-15%。然而,去年的疫情迫使人们在家上班和上学,从而刺激了电脑和消费电子产品的极大需求。这些产品对模拟器件的消耗抢吃了汽车电子的产能,进而造成了汽车厂商因缺芯而停产。

按产品分类的200mm晶圆需求(2018年统计数据)。(来源: Semico Research)

200mm(8英寸)晶圆厂可以采用从90微米到0.15微米的工艺技术生产半导体器件,可以生产模拟芯片、普通逻辑器件、MCU等微处理芯片、存储器、MEMS和传感器、光电器件,以及功率器件等分立元器件。根据Semico Research的2018年报告统计,全球200mm 晶圆厂所生产的模拟器件占比为23%,估计2020年和今年这个比例会更高。

这些不太先进的芯片为什么不能像大米和面粉一样快速增加产能以应急呢?制造它们应该不用特别尖端(类似卡脖子的技术)的半导体设备吧。的确,信号链器件、传感器、显示驱动器、电源管理 IC 和 RF 器件大都是在200mm(8英寸)晶圆厂生产的,而不是针对先进芯片的 300mm(12英寸)晶圆厂。但是,在全球范围内,工艺技术早已成熟的8英寸晶圆厂数量有限,因为所生产出来的芯片售价便宜,半导体厂商也不愿多投资到这些老旧的厂房和设备。目前的8英寸晶圆厂产能都已饱和,但快速增加新的晶圆厂也不大可能。

200mm晶圆发展简史

自从第一座200mm晶圆厂在1990年代建成,8英寸晶圆成为多年来的晶圆制造标准。根据 SEMI 的数据,1995年全球共有62座200mm晶圆厂,到2007 年增长到193座。从 2000年代开始,许多芯片制造商逐渐从200毫米迁移到300毫米晶圆厂。更大的晶圆意味着芯片制造商可以在每个晶圆片上切割出更多的裸片,从而提高生产率并降低成本。据SEMI 分析师称,一般来说300mm晶圆面积比200mm大2.25倍。

晶圆尺寸的相对差异。(来源: ICE)

300mm相对于200mm晶圆的优势不单单在于成本,还有其他因素,比如经济高效的工具和净化间都发展到了新的水平和标准。于是,晶圆代工厂商和IDM厂商纷纷投资300mm晶圆厂。200mm晶圆厂数量不但没有增加,反而有所下降,这意味着有些工厂被关闭了。从2007年到2016年,全球200mm晶圆厂数量从193座下降到189座。

晶圆厂数量的增长趋势。(来源: SEMI)

在21世纪的第一个十年,随着芯片制造商迁移到300毫米工艺节点,对200毫米晶圆产能的投资停滞不前了。那个时期供应过剩压低了芯片价格,导致了半导体行业一系列并购,基本上将那些根本没有规模优势的200 毫米晶圆厂商从这一高资本投入和低利润收益的市场竞争中排挤了出去。

然而,从2015年开始,人工智能 (AI) 和物联网 (IoT) 新兴应用的发展开始推动物联网设备的增长,进而对电源管理芯片(PMIC)、图像处理和模拟器件等相关芯片的需求呈现出指数级增长。跟智能手机不同,这些设备对功耗和成本比较敏感,自然要求配置的芯片价格低廉,因此所需要的芯片大都使用200mm 晶圆厂生产。

除了物联网,5G手机和基站带动的需求也进一步加剧了现有200mm晶圆产能供应紧张的局面,产能自 2019 年年中以来一直严重短缺。200mm 晶圆厂的新生吸引了新的供应商加入该市场。据 SEMI 称,全球投产的 200mm 晶圆厂数量预计将从 2016 年的189 家增加到2022年的213家。

全球200mm晶圆产能现状及未来增长趋势

根据 SEMI 最新发布的《200mm晶圆厂展望报告》,2020年至2024年期间全球200mm晶圆产能预计提高95万片,即17%,达到每月 660 万片的历史新高。同期半导体厂商将新增 22 座200mm晶圆厂,以满足5G、汽车和物联网 (IoT) 应用对模拟器件、电源管理芯片、MOSFET器件、MCU、传感器,以及显示驱动器件的强劲需求,从而有助于缓解全球芯片短缺的局面。

该报告跟踪统计了全球160多家公司的330座晶圆厂数据,涵盖从2013年至2024年间的200mm晶圆厂发展状况。报告显示晶圆代工厂商今年将占全球200mm晶圆产能的50%以上,模拟器件厂商的产能占17%,分立/功率器件厂商占10%。从地域来看,今年中国将以18% 的份额在200mm产能上领先世界,其次是日本和中国台湾,各占16%。

全球8英寸晶圆制造设备支出增长快速。(来源:SEMI)

无论扩充现有晶圆厂产能,还是新建200mm晶圆厂,都需要相应的200mm晶圆制造设备。这一细分市场的销售规模在2012 至 2019 年间一直徘徊在 20 亿至 30 亿美元之间, 2020年突破了30 亿美元大关,预计2021年将达到近40亿美元。设备支出增加部分反映出全球半导体行业正在努力克服当前芯片短缺的困境。

预计 2022 年8英寸设备投资将保持在30 亿美元以上,其中代工厂商占支出的一半以上,其次是分立/功率器件厂商占21%,模拟厂商占15%,MEMS和传感器厂商占7%。

如何增加200mm晶圆产能?

鉴于现有200mm晶圆厂产能已经达到饱和,要增加产能以满足芯片需求,芯片制造商要么扩大现有晶圆厂的产能,要么建造新的晶圆厂。从全球200mm晶圆厂的分布情况看(见附录完整的8英寸晶圆厂清单),美国和欧洲大多是一些IDM厂商,如英飞凌、TI、NXP、意法半导体和ADI等,亚洲则以代工厂商为主。

台积电2021年第一季度各制程的营收占比。(来源:TSMC)

2018年底,台积电宣布新建一座8英寸晶圆厂,此前台积电在上海有一座8英寸晶圆厂,这是台积电15年来首次扩建8英寸产能,过去多年台积电主要产能早就转向更先进的12英寸晶圆厂了。尽管台积电等代工大厂也会承接一些8英寸晶圆的代工,但订单没有那么灵活,主要是几个固定的大客户(比如苹果)。在台积电的产能中,采用300mm晶圆的先进制程占了大半,很难再有多余的产能挤出来。从台积电2021年一季度各制程营收占比可看出,28纳米以上(含28纳米)的成熟制程占其营收的37%。为扩大产能,今年4月份台积电宣布追加投资28.87亿美元,将在南京扩建28纳米产线。预计到2024年,28纳米工艺芯片产能将提高至4万片/月。

传统IDM厂商不大可能投资新建8英寸晶圆厂,新建晶圆厂主要还是代工厂商,尤其是中国大陆的晶圆厂。SEMI预计,今年大陆的8英寸晶圆产能将占到全球的18%,这主要应归功于中芯国际和华虹半导体等代工厂商的持续投入。中芯国际和中国大陆8英寸晶圆厂分布情况稍后会详细介绍。

无论新建还是现有晶圆厂扩建,都需要更多的半导体设备,而设备同样面临短缺的窘境。大多数半导体设备制造商都不再生产 200 毫米设备,即便生产的新设备支持 200毫米晶圆,其交货时间也可能长达18个月。这意味着,今天增加的新设备支出最早要到 2022 年才能增加产能。代工厂商、设备厂商以及旧设备交易商都在寻找有20到25年历史的旧机器,以便对其进行翻新以支持8英寸晶圆。一夜之间,以前无人问津的旧设备现在成了抢手货。

日经亚洲最近报道了特朗普时代中美贸易战的一个意外后果:中国半导体制造商正在抢购二手半导体设备,因为这些老旧机器不受美国对中国制裁的限制,允许中国厂商不受限制地买入。一些日本二手设备经销商表示,价格已经比去年上涨了 20%。有些核心设备(例如光刻系统)的价格上涨了三倍。这类设备的价格与2008 年金融危机之后相比,上涨了十倍之多。“接近90%的二手机器似乎都运往中国去了,”三菱UFJ Lease & Finance 的一位消息人士表示。

由于新的芯片产线都使用300毫米晶圆,生产200毫米晶圆设备的公司很少见了。因此,“可用的二手机器价格甚至高于全新机器的价格,”日立资本的一位消息人士表示。“几年前基本上一文不值的机器现在售价高达100万美元,”一位二手设备经销商的消息人士称。有着20至30年历史的机器仍然可以在晶圆厂生产线上运行。

全球二手半导体制造设备服务公司Moov首席执行官Steven Zhou在其福布斯专栏的最近一篇文章中列举数据,证实了这一趋势:

  • 从2019到2020年,芯片制造商在二手设备上的支出增加了54%;

  • 同期美国芯片制造商的支出增加了61%,而中国厂商的支出增加了339%;

  • 仅过去一年,二手设备的价格就翻了一倍。

虽然美国政府拨款500亿美元吸引半导体巨头在美国设厂,比如美国最大的芯片制造商英特尔宣布投资200亿美元在亚利桑那州新建两个制造中心,台积电和三星也紧随其后在亚利桑那州建设新的晶圆厂。然而,这些投资都是针对最新晶圆工艺的,所制造的芯片都是最先进的数字芯片,即便量产也要等到2024年以后了。

远水解不了近渴,芯片短缺的短期解决方案可能就在于现有的 200mm 晶圆厂扩大产能,最快的方法是采购二手或翻新设备。然而,半导体制造设备二级市场是分散的、无序的,并且很容易被芯片制造商、行业团体和监管机构等忽视。虽然“二手制造设备”听起来不太可能是解决全球芯片危机的可行之道,但健康的设备二级市场具有以下价值:

  • 改善引起全球芯片短缺的刚性供应链;

  • 增加设备流动性,帮助芯片制造商扩大产能,同时降低供应过剩风险;

  • 借助更便宜的设备,使较小的制造商能够参与传统半导体市场的竞争;

  • 通过对在生命周期结束前很少使用的机器进行再循环,推动高科技制造业的环境可持续性。

半导体设备二级市场对于成熟工艺节点的扩容至关重要,在眼下的全球芯片荒特殊时期不失为一个可行的缓解策略。

台积电和中芯国际200mm晶圆产能

据IC Insights发布的《2021-2025年全球晶圆产能报告》,截至2020年12月,全球最大的代工厂台积电 (TSMC)在三个晶圆尺寸类别(6/8/12英寸)的晶圆产能排名中均位列Top 10。该公司拥有最多的200毫米晶圆产能,在300毫米晶圆产能中排名第二,仅次于三星。

200毫米晶圆产能领先者包括纯代工厂商,以及专注于模拟/混合信号IC和微控制器的IDM制造商。截至2020年12月,全球共有63家公司拥有和运营200毫米晶圆厂,其中台积电占总产能的10%,而中芯国际占比5%。

台积电目前在台湾设有四座12吋超大晶圆厂(GIGAFAB Facilities)、四座8吋晶圆厂和一座六吋晶圆厂,在大陆设有台积电南京12吋晶圆厂和台积电上海8吋晶圆厂。此外,在美国设有WaferTech 8吋晶圆厂。

台积电和中芯国际的8英寸晶圆厂(漏掉了台积电晶圆八厂)。(来源:维基百科)

中芯国际分别在上海、天津和深圳设有三座8英寸晶圆厂。该公司今年一季度财报显示,其成熟制程到今年底产能将持续满载,新增产能主要在下半年形成。其主要产能还是集中在成熟制程上,55/65纳米工艺的营收占比最多,为32.8%。

中国大陆200mm晶圆厂分布

根据芯思想研究院的统计,截止2019年底我国12英寸晶圆制造厂装机产能约 90 万片,较 2018 年增长 50%;8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片,较 2018 年增长 10%;6 英寸晶圆制造厂装机产能约 230 万片,较 2018 年增长15%;5 英寸晶圆制造厂装机产能约 80 万片,较 2018 年下降 11%;4 英寸晶圆制造厂装机产能约 260 万片,较 2018 年增长 30%;3 英寸晶圆制造厂装机产能约 40 万片,较 2018 年下降 20%。

其中8英寸晶圆厂项目包括:中芯绍兴、北京燕东、中芯天津二期、宁波中芯N1、士兰集昕、上海新进、芯恩(青岛)、赛莱克斯、积塔半导体、宁波中芯N2、士兰集昕二期、无锡海辰、济南富能半导体、吉林华微电子、华润微电子无锡项目(规划中)、四川中科晶芯(规划中)、赣州名芯(规划中),以及英诺赛科的8 英寸氮化镓产线。

附录一:中国8英寸晶圆厂项目完整清单

附录二:全球200mm晶圆厂产能分布完整清单


 

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