8英寸晶圓短缺,看不到盡頭

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芯世相(ID:xinpianlaosiji)

,作者:阿黛爾·哈斯(半導體工程特約作家),編譯:小芯,頭圖來自:視覺中國

半導體晶圓的供應鏈失衡,需求明顯高於晶圓供應商的能力,造成的短缺可能持續數年。

對於12英寸晶圓,排名前五的大廠商——日本矽晶圓製造商 SEH和 Sumco、德國的 Siltronic、中國臺灣的環球晶

(GlobalWafers

)和韓國的 SK Siltron——終於在去年採取了行動,它們在新的晶圓設施上投入了數十億美元。這五大廠商佔據了 90% 的市場份額,但它們的“新建”晶圓廠最早要到 2024 年才能生產晶圓。

其中較大的玩家裡,只有生產用於 MEMS、感測器、射頻和功率器件製造的先進定製矽晶圓的 Okmetic

(市場份額排名第 7)

正在投資8英寸產線。還有一些玩家來自中國,中國有一個廣泛但相當分散的晶圓供應商群體正在參與這場遊戲。業內專家表示,中國生產商尚未掌握所需的質量水平,但他們達到標準可能只是時間問題。

體積和成本是12英寸的關鍵所在。

但在8英寸晶圓上構建的晶片是許多終端產品的關鍵路徑。正如 Okmetic 的 CCO 和SEMI 矽晶圓製造商集團的新主席 Anna-Riikka Vuorikari-Antikainen指出的那樣,消費者不願意購買沒有雷達的汽車、沒有先進感測器的洗衣機或沒有 5G 的手機。

這些市場依賴於通常在8英寸晶圓上製造的晶片,而這些8英寸晶圓通常具有它們所服務的市場所獨有的特性,體積更小,製造通常更復雜。

但在最終產品中,很可能包括成百上千的晶片,任何一個晶片的短缺仍然會造成供應瓶頸。

不過,晶圓供應商不能只是加快速度生產晶圓。正如 Techcet 的市場研究總監 Dan Tracy 所說,晶圓製造沒有摩爾定律,製作晶圓是一個艱鉅的過程。此外,他指出,僅在過去一年,矽晶圓收入才恢復到 2007 年的水平,目前的 ASP

(晶圓代工平均售價)

仍比 2007 年低 36%。

8英寸晶圓短缺,看不到盡頭

圖1:矽晶圓收入預測(2022 年 2 月更新);矽晶圓收入在 2021 年增長 14。5%,最終達到 2007 年的水平;資料來源:Techcet

但現在,由於產能比以往任何時候都更加緊張,價格正在上漲——晶圓供應商報告的盈利能力創歷史新高,尤其是對12英寸晶圓的需求。然而,他說,“

問題不在於價格,而在於供應鏈的穩定性

。”

Tracy說,

2021年是創紀錄的一年

。總體而言,晶圓出貨面積增長了 14% 至 142 億平方英寸,相當於 1,700 個美國足球場。與此同時,12英寸出貨量增長超過 13%,而8英寸出貨量增長超過 15%,從2020年開始強勁復甦。Techcet 預計 2022 年整體出貨量將增長約 6%。

8英寸晶圓短缺,看不到盡頭

圖 2:截至 2022 年 2 月的矽晶圓出貨量預測;2021 年晶圓出貨量增長 14%,是創紀錄的一年。2022年的前景是增長約6%;資料來源:Techcet

Techcet 表示,整個矽晶圓市場

(包括 SOI 晶圓)

的收入增長了 14。5%,並在 2022 年再次增長 10%,達到 155 億美元。這是十多年來晶圓行業首次連續兩年實現兩位數增長。

然而,這種增長是以美元為單位的,主要是由於價格上漲,而不是晶圓產量的增加。

Tracy指出,2022年12英寸的需求量約為每月7200片晶圓

(wpm)

。但到2024年,即使以100%滿負荷運營,12英寸晶圓的總生產能力仍將低於需求的10%左右。

與此同時,在規模小得多但增長極快的市場中,例如基於碳化矽

(SiC)

晶圓的晶片,目前不存在短缺。但如果需求如預期的那樣發展,那麼晶圓短缺也即將到來。

一、12英寸:緊缺到2024年及以後

12英寸晶圓的大量投資活動正在進行,但即便如此,需求仍將持續供不應求。

總部位於日本的兩家最大的晶圓供應商 SEH 和 Sumco 共同佔據了超過 50% 的市場份額。Sumco 在其 2021 財年業績報告中分享了一些啟發性的例子。

8英寸晶圓短缺,看不到盡頭

圖 3:12英寸晶圓全球產能和需求預測(2022 年 2 月);即使增加了Brown Field和Green Field,未來幾年客戶需求也將超過全球晶圓產能;資料來源:Sumco

注:目前晶圓代工廠的擴建有兩種方式,分別是新建廠房擴產(Green Field)和使用當前廠房增加生產裝置(Brown Field)。兩者的區別是,前者從新建到投產時間為2-3年,後者可以快速進行部署並投產。

即使有這麼多新產能,未來幾年供應仍可能短缺。需要用到12英寸晶圓的裝置多種多樣,不僅僅有智慧手機,還有資料中心、汽車、個人電腦、人工智慧、工業產品、消費品等。每個人都想要更多的晶片,而晶圓供應商確實無能為力。

8英寸晶圓短缺,看不到盡頭

圖 4:12英寸晶圓的增長動力;智慧手機仍然是12英寸晶圓的重要推動力,但隨著行業的轉變,對更多資料中心和汽車晶片的需求也在不斷增長;資料來源:Sumco

最大的玩家 SEH 並沒有說太多。SEH 公司發言人在 2021年12月與分析師的電話會議中表示:“我們完全沒有改變我們的政策,以根據合同逐步增加產能。目前,公司繼續滿負荷運營,但我們無法完全滿足需求。2022年和2023年,使用當前廠房增加生產裝置的投資將受到限制。新建廠房擴產的投資要到2024年才會開始發揮作用。因此,預計12英寸晶圓的短缺將持續一段時間。”

他補充說,SEH 的成本,包括材料和裝置,遠高於該公司一年前首次考慮擴大投資時的成本。此外,為 SEH 開發一些高度專業化裝置的裝置供應商也遇到了產能壁壘。

他表示,今年一些客戶的銷量將會增加,同時價格也會上漲。

但即使新建產能將於2024年投產,他們預計隨著新生產線的推出,產能將進一步提高,價格將進一步上漲。

同樣,在與分析師的 FY21 年終電話會議中,Sumco 表示,對於12英寸晶圓,“有邏輯和記憶體客戶進一步要求增加產量”,但“無法滿足要求”。事實上,儘管日本伊萬里耗資 20 億美元的12英寸新工廠預計將於2024年投產,但 Sumco 與客戶簽訂的長期協議

(LTA)

目前已佔到 2026 年產能的100%。

就其而言,第三大晶圓供應商 GlobalWafers 此前欲收購第四大晶圓供應商 Siltronic。該交易原定於2022年1月敲定,但因未能及時獲得所有政府批准而被擱置。GlobalWafers 表示,他們指定用於收購 Siltronic 的大約 50 億美元將轉而用於產能擴張。其中 36 億美元將用於從今年開始到 2024 年的新建廠房擴產投資。《臺北時報》最近的一篇文章指出,“中國臺灣、美國、義大利、韓國、日本和丹麥的六個地點有新建廠房擴產和使用當前廠房增加生產裝置的專案”。

作為 Siltronic 的大股東,Wacker Chemicals仍然表示,它正在考慮在中期出售其剩餘股份。與此同時,Siltronic 表現良好。2022 年第一季度的收入比 2021 年第四季度增長 10。7%,主要是因為平均售價增加,但也因為前幾年現有工廠的一些使用當前廠房增加生產裝置的擴建。

關於向GlobalWafers的出售,早在1月份,當交易顯然無法透過時,Siltronic的執行長Christoph von Plotho告訴德國報紙F。A。Z。 :“發生了很大的變化。晶片稀缺,價格不斷上漲。從今天的角度來看,報價不變已經不太有吸引力。”

與此同時,Siltronic 正在滿負荷運轉,並繼續向“FabNext”投資 20 億歐元,這是其在新加坡新建的12英寸晶圓廠。管理層將其描述為最先進且具有很高的成本效益的投資。“我們很自豪 FabNext 的建設得到了長期採購協議

(LTA)

和幾個主要客戶的預付款的支援,”Siltronic 說。首批晶圓預計將於 2024 年上市。

在其位於德國弗萊貝格的工廠,Siltronic 正在建造一個新的晶體生產車間並在安裝新的外延反應器。其位於俄勒岡州波特蘭的工廠也有一些“適度擴張”。

韓國的 SK Siltron 在 5 大企業中也進行了用於12英寸晶圓製造的大筆投資。2022年3月,SK Siltron宣佈投資約12億美元在韓國龜尾三產業園區擴大12英寸晶圓產能。在過去的兩年裡,該公司一直在以最大的產能執行。

SK Siltron 總裁 Yong-ho Jang 告訴韓國 IT 新聞,“晶圓投資是一項風險投資,因為它很難準確預測並根據市場變化迅速做出反應。透過與全球半導體公司的合作和技術創新,我們將具備高質量的晶圓製造能力,成為晶圓領域的領導者。”

如果說12英寸晶圓市場吃緊的話,那麼至少等到2024年才會有一些喘息的機會。

二、8英寸晶圓短缺——看不到盡頭

對於那些晶片基於8英寸晶圓的廠商來說,卻沒有得到喘息的運氣。2022年4 月,SEMI 釋出了8英寸晶圓廠展望報告,報告表明,

從2020年初到2024年底,全球半導體制造商有望將8英寸晶圓廠的產能提高 120 萬片,即 21%,達到每月 690 萬片的歷史新高

“晶圓製造商將在五年內增加 25 條新的8英寸晶圓產線,以幫助滿足5G、汽車和物聯網

(IoT)

裝置等依賴於模擬、電源管理、顯示驅動器積體電路、MOSFET、微控制器單元

(MCU)

和感測器等應用不斷增長的需求。”SEMI 總裁兼執行長 Ajit Manocha 說。

這在很大程度上是半導體行業“超越摩爾”的一部分。但是他們從哪裡獲得支援擴張所需的晶圓呢?

唯一宣佈擴大8英寸產能的重要晶圓供應商是芬蘭的 Okmetic,它無法應對行業預期的所有8英寸規模的增長。

Okmetic 的客戶將他們的晶圓用於智慧手機、行動式裝置、汽車電子、工業過程控制和醫療應用、物聯網以及各種解決方案的晶片,以提高電力使用和效率。

自 1985 年由諾基亞和一家冶金公司創立以來,Okmetic一直負責整個晶圓工藝,從晶體生長開始,晶圓定製始於矽錠的生長,生長中的晶錠如何摻雜取決於客戶產品所需的特性——射頻器件的高電阻率和功率器件的低或中電阻率。同樣,MEMS 和感測器需要專門定製的材料和工藝。

Okmetic 已為新的8英寸晶圓生產設施投資了 4 億歐元,這是公司歷史上最大的一筆投資,這將使他們能夠將公司的產能和業務擴大一倍以上。新工廠的晶圓生產預計將於2025年開始。在過去五年中,Okmetic 還投資了超過 1 億歐元來提高其萬塔

(芬蘭)

工廠的產能。

SEMI 報告顯示,今年全球8英寸晶圓廠產能中,代工廠將佔 50% 以上,其次是模擬製造商,佔 19%,分立/電源製造商佔 12%。從地區來看,2022年中國將以 21% 的份額在8英寸晶圓產能方面領先世界,其次是日本,佔 16%,中國臺灣和歐洲/中東各佔 15%。

Gartner 研究、技術和服務提供商副總裁 Samuel T。 Wang 總結道,

對於 8英寸晶圓的短缺“看不到盡頭”,中國可能是唯一的解決方案

三、SiC 快速發展,中國崛起

與此同時,中國正在為其晶圓供應商設定雄心勃勃的目標。雖然質量水平仍有待提高,但仍有晶圓供應商提供適合 90nm 工藝生產的8英寸和12英寸晶圓。

Wang 列舉道,中國至少有十多家晶圓供應商正在迅速崛起。它們包括奕斯偉

(ESWIN)

、杭州半導體晶圓有限公司

(日本 Ferrotec 集團的一部分)

、NSIG

(國家矽工業集團,它是 Soitec、Okmetic、ZingSemi 和 Simgui 的投資者,後者又與 Soitec 合作生產 RF-SOI 晶圓等)

、重慶先進矽技術有限公司

(“AST”)

和南京國盛電子有限公司等。

但中國真正推動的是化合物半導體業務。

碳化矽

(SiC)

晶圓用於電力市場。這是一個處於起步階段的市場,雖然今天沒有短缺,但短缺可能即將出現。碳化矽晶圓製造業的速度要慢得多,能耗更高,成本也遠高於矽。SiC 晶片

(晶錠)

通常需要數週時間才能在比矽高兩倍的熔爐中生長,每個晶塊只能生產約50個晶片/晶錠,產量損失在30%範圍內,成本是矽的20到50倍。

但由於 SiC 在解決電動汽車

(EV)

里程焦慮

(以及其他與電力相關的挑戰)

的晶片方面的前景,SiC 目前是競爭日益激烈的一個來源。

Halo Industries 的執行長引用了他最喜歡的 Canaccord Genuity 圖表,該公司擁有一種鐳射技術,可以更有效地將 SiC 晶錠切割成晶圓。它表明,2023年,需求與供應問題發生了衝突,並從那時一直螺旋上升到本世紀末。

8英寸晶圓短缺,看不到盡頭

圖 5:所有應用的碳化矽晶圓需求;到本世紀末,對 SiC 晶圓的需求將大大超過供應;資料來源:Canaccord Genuity

這有助於解釋為什麼 SiC 行業領導者 Wolfspeed 剛剛在紐約州北部開設了世界上最大的 SiC 工廠,並正在擴建其北卡羅來納材料工廠。

與此同時,SOI晶圓製造商Soitec正下大賭注,利用其智慧切割技術,從SiC晶圓棒中獲得的晶圓數量將可能是目前的10倍。該公司宣佈了一個新的碳化矽晶圓製造廠,預計將在2023年下半年產生第一筆收入。公司發言人表示:“我們提高了對未來的可見性,客戶要求透過長期協議確保我們的晶圓供應,期限比以前更長。”

Gartner 的 Wang 表示,

中國至少有 15 家晶圓廠在研究 SiC

,“他們認為他們可以超越美國。”

四、需要一個生態系統

整個晶片行業都存在嚴重的短缺,每個領域都感受到了這種短缺。許多公司正在囤積裝置、材料,甚至製造的裝置。

“我們對一些層壓基板的報價提前了52周。”QP Technologies營銷銷售總監 Rosie Medina 說。“我們可能需要三個月的時間,客戶正在耐心等待。一些公司甚至不接受陶瓷封裝訂單,即使是較舊的傳統陶瓷封裝。我們的 QFN 的引線框架還不錯,交期已經從 8 周到大約 16 周了。因為我們正在批次購買,而且我們看到的採購訂單提前了很多。但我們剛剛被告知,晶圓現在需要一年的交貨時間,所以我不得不回去跟客戶說,‘我需要更多的採購訂單保障才能獲得

(晶圓)

訂單,否則你們的晶圓就會售罄。’”

同時,晶圓供應商們仍然保持保守和保密。他們不願投資的歷史可以追溯到2009年市場崩盤前,當時他們為實現高增長的承諾進行了大量投資,結果卻陷入困境。

Techcet 的 Tracy 表示,直到今天,供應商仍在激烈鬥爭,只是為了提醒業界,晶圓並不是一種商品。他們需要遵守多達1000個不同的引數,以滿足每個客戶的需求。

Vuorikari-Antikainen 說,SEMI 為整個供應鏈的討論提供了一個平臺。整個供應鏈在健康的生態系統中運作至關重要。關於短缺問題,現在是時候採取行動了。

五、結論

晶片行業只能寄希望於整個生態系統在閉門造車的情況下,最終能進行嚴肅而富有成效的談判。只有這樣,所有供應鏈參與者才能獲得共同盈利所需的可見性和信任。否則,晶片行業有可能陷入一場不斷加深的危機之中,而這場危機可能需要數年才能被解決。

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,作者:阿黛爾·哈斯(半導體工程特約作家),編譯:小芯

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