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推动晶圆厂产能转移的三股力量

发布日期:2021-02-10 浏览次数:4006 来源:半导体行业观察作者:网络
 

进入2020下半年以后,全球芯片业缺货状况达到历史高峰期,特别是最近,汽车芯片严重缺货,各大车厂不得不停产待援。

 

缺货就意味着产能紧张,这种长时间、大规模、系统性的产能紧张,在很大程度上推动着晶圆厂产能的变化、转移。总体来看,这种转移表现在三个方面:一是地域性的转移,特别是向中国大陆聚集;二是出于成本效率的考虑,多年来,8英寸晶圆厂逐步向12英寸转移;三是不同类别芯片之间产能的转移,即将相对够用的芯片产能,转为生产严重缺货的芯片产线。

 

向中国大陆转移

 

近些年,中国大陆的半导体业发展迅速,除了本土不断上马晶圆厂之外,各大国际知名晶圆厂纷纷来建厂,形成了愈加突出的产能聚集效应。

 

2016~2018年,中国大陆新增的12英寸晶圆厂大多来自中国台湾的台积电、联电、力晶等,于厦门、南京、合肥等地设厂;另外,来自于美国的Intel、GlobalFoundries,也在大连、重庆等地投资数十亿美元建厂。

 

据IHS预测,晶圆代工市场规模有望从2020年的584亿美元,增长到2025年的857亿美元,年复合增长率(CAGR)为8%,而成熟工艺晶圆代工市场将增长至415亿美元。据IC Insight统计,2018年中国晶圆产能243万片/月(等效于8英寸晶圆),中国大陆晶圆产能占全球晶圆产能12.5%,随着产能持续向中国大陆转移,预计2022年产能将达到410万片/月,占全球产能17.15%。

 

但是,中国大陆代工厂商自给率严重不足。根据拓墣研究的数据,2020年第二季度,中芯国际和华虹份额加起来才 6%。此外,尽管这几年中国大陆掀起晶圆代工厂建设高潮,据SEMI统计,2017-2020 年,全球 62 座新投产的晶圆厂中有 26座来自中国大陆,占比超过40%,成为最积极、增速最快的地区。但多数新建晶圆厂在短时间内很难真正形成有效产能。这在很大程度上促进了晶圆厂产能向大陆转移。

 

另外,还有一点很值得关注,那就是2015年以后,本土的IC设计厂商大量涌现,对芯片产能形成了潜在的巨大需求。同时,受上市、融资等目的驱动,很多“假”产能需求不断涌现,特别是在缺货行情的影响下,很多本土IC设计厂商加倍向代工厂要产能,由于设计企业众多,多要出来的这部分产能是很可观的,虽然有不少泡沫成分,但其在客观上加速了产能向中国大陆的倾斜。

 

在这种情况下,大陆市场对外来晶圆大厂的吸引力越来越大,而从近期来看,韩国的三星和SK海力士表现得尤为积极。

 

三星非常重视西安的存储芯片工厂,已经制定了三期计划,而其第二工厂的第二阶段投资将于2021年完成。三星在第一阶段投资约90亿美元,在第二阶段投资80亿美元。相信在不久得将来,三星西安厂生产的存储芯片将成为本土三大存储器厂最强有力的竞争者,特别是在性价比方面,本土企业将面临挑战。

 

SK海力士也非常看重中国大陆市场,原先计划用两年时间,将其韩国8英寸晶圆厂迁往中国,以节省成本。最近,该公司在财报电话会议上表示,为了应付快速增长的客户需求,将加快8英寸晶圆厂的迁移速度。

 

8英寸向12英寸转移

 

晶圆尺寸越大,可利用效率越高。12英寸晶圆拥有较大的使用面积,得以达到效率优化,相对于8英寸晶圆而言,12英寸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%,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英寸晶圆都是现在使用的主力晶圆尺寸。尽管如此,8英寸晶圆厂仍然具备相当长的生命力。到2021年,8英寸晶圆的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英寸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%。

 

早期的大部分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,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。

 

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。

 

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。

 

不同类别芯片间的转移

 

近两年,虽然全球芯片业呈现出整体缺货的状况,但细分来看,不同类型的缺货状况各不相同,如2017和2018年的存储器,成为了缺货和涨价的代名词,但进入2019下半年后,情况急转直下,价格一路下跌,产能利用率大幅下滑。也就是在那年,全球CIS传感器需求出现了井喷,产量严重不足。为应对这种局面,CIS龙头索尼在2019年史无前例地将部分CIS生产外包给了台积电,与此同时,CIS“二哥”三星在推出新技术的同时,也在提升CIS产能,于2017年开始改造12英寸DRAM产线FAB 11,用于生产CIS,2018年底完成改造;同时对FAB 13进行改造。

 

三星原本拥有1条CIS芯片专用产线,名称为S4-Line,2019年,该公司CIS产能约为4.5万片/月,随着FAB 11和FAB 13线转为CIS专用线,三星的产能将扩充到12万片/月,目标是超过索尼每月10万片的产能。

 

三星启动转线计划充分说明CIS芯片市场的火爆程度,且在未来几年仍将持续下去。此外,转线计划是在2018年底开始的,当时DRAM已经进入降价周期,通过将DRAM产线转为CIS芯片专用线,三星还能够规避存储降价带来的不利影响。

 

进入2021年以后,CIS依然是供不应求。据Omdia统计,中低端CIS严重短缺,三星从2020年12月起调涨CIS 价格40%,其它CIS供应商也涨价20%。导致这一波CIS 涨价的主因是8英寸晶圆代工产能吃紧,投片在8英寸晶圆生产的电源管理IC、驱动IC、指纹辨识IC、MOSFET 等产品,自2020下半年就陆续缺货涨价。

 

目前,三星位于韩国华城的FAB 11 DRAM 产线已改建成CIS 产线,将CIS 总产能提高20%,并开始进入量产阶段。

 

此外,一些CIS的IC设计企业,为了摆脱到处找产能而不得的被动局面,开始自建晶圆前后道产线,以保证给客户供货。

 

除了CIS,近期产能最紧张的就是汽车芯片。为了获得产能,欧美各国政府出面与台积电协商,希望后者能增加汽车芯片产能。由于台积电拥有全球汽车芯片70%的产能,所以,该公司的举动会产生很大影响。为了尽快解决汽车芯片荒问题,台积电紧急启动了特别紧急快件,要在相对短的时间内挤出原计划生产其它芯片的产能,用于生产汽车芯片。

 

据悉,台积电正将部分55纳米HV制程产能,由部分触控面板驱动IC(TDDI)转移给车用,由于敦泰TDDI有50%~60%产能委由台积电代工,短期内产出可能受到伤害。

 

在晶圆代工产能更加吃紧的环境中,DDI领导者联咏与奇景光电专注于大尺寸与中小尺寸DDI,相比其他同业厂商,在获得晶圆代工产能的顺位取得优先,成本则会小幅增加。

 

无论是汽车芯片大规模缺货,还是台积电启动特别紧急快件程序,都是非常罕见的现象,这在很大程度上打乱了原有秩序和平衡。目前,芯片制造商急于满足汽车制造商需求,很多芯片代工厂都在满负荷运转,从而限制了代工厂接受新订单的能力,可能会影响晶圆厂生产DRAM及NAND芯片,反过来影响智能机及平板电脑的交付。

 

实际上,消费电子类芯片与车用芯片抢夺产能早有迹象。一方面,芯片制造商将调低的汽车芯片产能转向消费电子领域,手机、电脑等消费电子类产品芯片销量覆盖群体更大,部分芯片制造商不愿重启汽车芯片生产线;另一方面,随着汽车制造商的芯片订单再度放大,为抢占市场,部分芯片供应商正在扩大汽车芯片产能。

结语

 

综上,推动全球晶圆厂产能转移的三股力量呈现出了不同的状态和节奏:一、全球产能向中国大陆转移的速度在加快,且势不可挡;二、8英寸向12英寸转移在不同时期有快有慢,这是因为不仅12英寸产能紧缺,8英寸的需求也很旺盛,且在可预见的未来依然具有十分可观的市场规模;三、不同类型芯片之间的转移,给供需关系增加了更多的不确定性,它还会推动IC设计公司、晶圆代工厂、IDM等商业模式的转变,以实现更多的产能自主。

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