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8英寸晶圆制造开启新周期

2023/03/06
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近些年,全球半导体业都在兴建12英寸晶圆厂,新项目不断涌现,这使得8英寸晶圆产线的比重不断降低。然而,这并没有削弱8英寸的存在感,相反,在很长一段时间内,全球8英寸晶圆产能都处于短缺状态,且很难找到解决办法。

远的不说,就从2017年谈起吧。

彼时,全球8英寸晶圆代工产能利用率逼近100%,而产能拓展潜力有限,受此影响,与2017年相比,2018年同期主要元器件的交货时间明显延长,模拟器件、传感器、分立器件和32位MCU等交货时间均增加,最紧张的交货时间延长至40~50周。

digitimes的数据显示,中国台湾地区主要晶圆代工产能利用率不断增长,截至2018年6月,产能利用率为94.7%,同比增长了1.3%。当时,中国台湾地区主要晶圆代工厂8英寸线产能约为1100~1200 千片/月。

大部分模拟、分立器件市场由IDM大厂把持,如英飞凌德州仪器(TI)等,部分IDM的产能扩充专注于12英寸线,没有额外增添8英寸线,这样就不得不将 8英寸产品外包。因此,大部分IDM扩产幅度比需求增长幅度低,外包的比例就越来越高,这样就加剧了晶圆代工厂订单供不应求的局面。

据统计,在2017 年,8英寸晶圆代工主力华虹半导体的8英寸晶圆产能为168K/月,中芯国际的产能为234K/月,占总产能的比例超过40%。

台积电的8英寸晶圆代工产能占其总产能的比例约为14%;联电的8英寸晶圆代工产能同样供不应求,并开启了一次性涨价。此外,联电在中国大陆的8英寸厂——和舰——也启动了大规模扩产,幅度达15%。

2017和2018年,全球呈现缺货潮,特别是存储器,与此同时,8英寸晶圆厂产能总体供不应求。

进入2019年以后,全产业出现供过于求,特别是存储器,同时,8英寸晶圆产能供不应求的局面也得到了一定程度的缓解。

在经历了2019上半年全行业的低迷之后,全球半导体在2019下半年开始回暖,而8英寸晶圆产能利用率也逐渐提升。进入2020年以后,虽然有疫情的影响,但未能阻挡市场对8英寸晶圆产能需求的提升,再一次出现全球性产能紧张状况。

而促使这一局面出现的首要原因是相关“爆款”芯片需求量暴涨。2018年那一波的典型代表是功率器件,而2020年那一波爆款芯片则是CIS,以及ToF和TWS芯片。这几种芯片在2019年就已经非常火爆,市场需求量大增,而这一发展态势也延续到了2020年。

CIS的爆发主要得益于多摄像头手机的涌现。2019年,随着上游晶圆产能愈发紧张,CIS芯片的供货缺口进一步加大,分辨率5M及以下的CIS出现了两次大规模涨价,涨价的厂商大都分布在中国大陆地区。同时,全球三大CIS厂商索尼、三星和北京豪威(OmniVision)的供货一直都非常紧张,索尼不得不将部分订单交由台积电生产,这种形势给晶圆代工厂带来了更多商机,台积电相当一部分8英寸晶圆代工产能都给了豪威,而为了接单索尼,台积电还在增加投资建厂、采购设备,专门用于应对索尼的CIS订单。此外,中芯国际和华力微电子也收获不少,特别是来自豪威的订单。

与此同时,手机开始搭配3D感测功能ToF,而CIS是ToF的必需元器件,导致市场对CIS的需求量大涨。

除了CIS,市场对TWS芯片的需求也非常强劲,与此同时,在显示面板方面,AMOLEDTDDI的普及,催生了市场对NOR Flash需求的提升。这样,TWS、AMOLED驱动、TDDI芯片,以及NOR Flash存储器在同一时间段内爆发,这些都给8英寸晶圆产能带来了极大的压力。

进入2021年以后,市场对8英寸晶圆产能的需求量又出现了跳跃式的提升,使得各大厂商产能的扩充速度远低于市场需求的增长速度。在这种情况下,市场全面开启涨价模式。

早在2020年,为了确保拿到足够的产能,不少IC设计厂商积极预定2021年的产能,有的长单甚至下到了2021年第二季度。

当时,有IC设计厂商表示,晶圆代工产能非常紧张,交期延长了很多,以往的交期大概是两个月,而那个阶段达到了四个月。即使是这样的交期,依然在被疯抢,不抢的话,会有交不出货的巨大风险。这其中,以8英寸晶圆产能最为火爆,特别是在中国大陆市场,由于这里的IC设计企业数量众多,而大多数都是以90nm及以上的成熟制程工艺芯片为主,这些芯片主要采用8英寸晶圆代工生产,虽然这些IC设计厂商个体体量不大,但由于总数量可观,因此形成了巨大的代工需求,为了抢到产能,上演着多种激烈、甚至是惨烈的竞争故事。

8英寸晶圆产能供不应求的局面一直持续到2022下半年。

8英寸晶圆产能吃紧的原因

在过去几年里,8英寸晶圆产能吃紧,主要有以下几个原因。

一、应用需求驱动。在应用端,对8英寸晶圆代工的强劲需求主要来源于功率器件、电源管理IC、影像传感器、指纹识别芯片和显示驱动IC等。由于模拟/分立器件拥有成熟制程+特种工艺的特性,因此,这些产品绝大多数会采用8英寸或6英寸线生产。

特别是功率器件,近些年,市场对它的需求相当强劲,这给8英寸晶圆产线带来了更多商业机遇。

据IC insights统计,在功率器件年出货量方面,2016~2021的年复合增长率为5.2%。2017年,功率分立器件销售额同比增长10.4%。受益于汽车和工业应用驱动,当时预计未来3年功率分立器件市场将保持5%左右的增速。

汽车电子和工业应用对功率器件的需求大于供给导致涨价,而功率器件对8英寸晶圆产能的需求大于供给,导致8英寸晶圆涨价。

二、设备供给不足。市场对8英寸晶圆厂使用的设备供应不足,也是导致产能吃紧的一个重要原因。

由于多数8英寸晶圆代工建厂时间较早,运行时间大多长达10年以上,部分设备太老旧或难以修复,同时,由于当前12英寸晶圆代工厂资本支出规模巨大,部分厂商停止了8英寸晶圆产线,使得相关设备供应商缺乏研发和生产相关设备的积极性。

近几年,8英寸晶圆代工产能扩充所需要的设备主要来自二手市场,其中,蚀刻机、光刻机、测量设备最为抢手,从8英寸向12英寸升级的存储器厂商为这一市场贡献了很多,如三星和海力士。不过,总体来看,二手设备市场资源有限,呈现出逐渐枯竭的态势。

这一点在中国大陆市场体现得尤为突出,二手设备非常强手,已经形成了一条产业链,近几年,多家晶圆厂都想尽办法通过各种渠道引进8英寸晶圆加工设备,这其中比较有代表性的是青岛芯恩,引进了一大批来自日本的二手设备,并请到日本的顶级设备专家进行修复和指导使用。

三、8英寸晶圆代工产线减少。据统计,从2008到2016年,有37座8英寸晶圆代工厂关闭,同时有15座厂从8英寸转换为12英寸,截至2016年,全球8英寸晶圆代工厂已减少至180座。不过,从2016年开始,8英寸晶圆厂关闭的速度开始减缓,但减少的趋势没有变。

传统IDM正在缩减8英寸晶圆产线规模,将更多资源投入到12英寸产线的建设和完善上面,这主要是因为市场竞争越加激烈,而对于IDM来说,8英寸产线的投入产出比越来越低,大规模运营这些产线的积极性已经不高了,除了保留一部分必需的8英寸晶圆产线外,像TI和ADI这样的老牌模拟芯片巨头,可以将越来越多的8英寸晶圆加工任务外包给代工厂,而它们自己主攻12英寸产线。这样,客观上减少了8英寸晶圆产能。

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。

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英寸晶圆生产的芯片便宜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20-30年。

当然,8英寸晶圆产能吃紧的原因不止以上这三点,其它就不在此赘述了。

产能过剩时刻到来

半导体行业存在明显的周期性,不可能永远兴盛,也不可能永远衰弱。8英寸晶圆产能不足的局面已经持续多年,但不可能永远持续下去。

2020年,SEMI就曾示警,在各大厂商积极扩产的情况下,8英寸晶圆产能可能会出现过剩的局面,尤其是在中国大陆地区,日本市场研究机构野村也给出了类似的意见,他们认为当时功率器件等模拟芯片的市场需求正在放缓,再加上库存的调整,8英寸晶圆产能需求正在下降。

从2022年第四季度开始,8英寸晶圆产能需求就出现松动迹象。进入2023年以后,随着芯片在全球范围内供过于求,各种成熟制程模拟芯片也未能幸免,导致8英寸晶圆产能出现过剩局面。

2月,业界传出消息,三星电子舍弃了部分8英寸晶圆产线的成熟制程产能,以将更多资源用在以3nm为代表的先进制程产线上,不过,三星表示此消息为谣传,不过,三星8英寸晶圆产能利用率大幅下滑是不可辩驳的,同时,三星电子12英寸晶圆代工平均开工率也下降到了70%左右。

东部高科(DB HiTek)的8英寸晶圆代工平均开工率下降到60%-70%,部分8英寸产线开工率跌至50%,与2022上半年接近满负荷运转的情形形成鲜明对比。

终端市场需求疲软导致全球晶圆代工产能利用率普遍下滑,这一波冲击对格芯、DB HiTek、Key Foundry、SK Hynix IC、力积电等8英寸晶圆代工厂影响较大,一些厂商的开工率已经跌至50%。

随着产能利用率下降,为保证订单量,降价是必然的选择,上述的这些厂商纷纷开始降价。

在这种情况下,成熟制程大厂联电也快要降价了。

不过,业界普遍认为,这一波下行周期不会持续太长时间,乐观的认为2023下半年,谨慎一些的认为2024年开始,全球芯片市场需求将会复苏。到那时,8英寸晶圆产能利用率会逐步恢复。只是不知道,2019-2021年那一波成熟制程芯片需求爆发式增长的辉煌能否重现。

作者:畅秋

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