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12英寸晶圓廠真的要取代8英寸嗎?

作者: 時間:2023-04-03 來源:半導體產業縱橫 收藏

過去幾年,全球建設如火如荼,突如其來的疫情,雖然對產能建設造成了一些影響,但總體規劃和發展態勢沒有變,特別是 12 英寸(300mm),規模和聲勢更加引人關注。

本文引用地址:http://www.fsbox.com.cn/article/202304/445239.htm

以疫情剛剛爆發的 2020 年為例,來自 SEMI 的統計和預測數據顯示,當年,全球用于 12 英寸的投資額同比增長 13%,創造歷史新紀錄。而且,由于疫情影響,全球數字化轉型進程加速,這樣,2021 年在 12 英寸晶圓廠上的投資再創新高,同比增長約 4%,之后的 2022 年稍微放緩。

從當時的預測情況來看,2022 年之前沒有大問題,但對 2023 年的預測顯然過于樂觀了,今年的情況并不好。

在晶圓廠數量方面,SEMI 表示,排除低可能性或謠傳的晶圓廠建設,保守估計,2020- 2024 年至少新增 38 座 12 英寸晶圓廠,其中,中國臺灣增加 11 座,中國大陸增加 8 座,兩地區合計占總數的一半。預計 2024 年 12 英寸晶圓廠總數將達到 161 座,晶圓廠月產能有望增長 180 萬片 (wpm),達到 700 萬片以上。

近幾年,雖然中國大陸在 12 英寸晶圓廠建設方面出現了不少泡沫,但總體增長的勢頭,特別是市場對產能的需求量一直是剛性增長。在這種情況下,中國大陸產能占全球比重將快速增加,據統計,2015 年的市占率僅為 8%,而到 2024 年將增至 20%,月產能也將達到 150 萬片。

與中國大陸相比,日本在全球 12 英寸晶圓產能比重持續下降,2015 年約占 19%,2024 年將跌至 12%;美洲也將從 2015 年的 13%,跌至 2024 年的 10%。SEMI 認為,韓國將成為最具發展潛力的市場,投資額在 150 億-190 億美元之間,緊隨其后的中國臺灣投資額約為 140 億-170 億美元,中國大陸為 110 億-130 億美元。

前些天(3 月 27 日),SEMI 發布的最新統計和預測報告顯示,在 2021 和 2022 年強勁增長后,由于存儲和邏輯芯片需求疲軟,預計 2023 年 12 英寸晶圓廠產能擴張將放緩,不過,這只是短暫「休息」,SEMI 認為,到 2026 年,全球 12 英寸晶圓廠產能將增加到每月 960 萬片,創歷史新高。

SEMI 總裁 Ajit Manocha 表示,在 2022-2026 年間,新增產能的主要驅動力為:模擬和功率器件 IDM 的產能以 30% 的復合年增長率領先,其次是晶圓代工業,增長率為 12%,之后是光電器件的 6%,存儲芯片的 4%。包括格芯(GlobalFoundries)、華虹半導體、英飛凌、英特爾、Kioxia、美光、三星、SK 海力士、中芯國際、意法半導體、德州儀器、臺積電和聯電在內的 IDM 和晶圓代工廠,將有 82 座新廠在 2023-2026 年期間運營。

由于美國的出口管制,中國大陸企業和政府將 12 英寸晶圓廠投資重點放在了成熟制程產線上,其全球份額將從 2022 年的 22% 增加到 2026 的 25%,產能達到每月 240 萬片。

根據 SEMI 的預測,2022-2026 年,由于存儲芯片市場需求疲軟,韓國占全球 12 英寸晶圓產能比重將從 25% 下滑至 23%,盡管中國臺灣地區的份額也會略有下降,從 22% 降至 21%,但仍有望保持第三名的位置。而日本在全球的份額預計將從 2022 年的 13% 下降到 2026 年的 12%。

在政府投資的推動下,2022-2026 年,預計美洲、歐洲和中東地區的 12 英寸晶圓產能份額將增長,到 2026 年,美洲的份額將增長 0.2% 至接近 9%,歐洲和中東地區的份額將從 6% 增加到 7%,東南亞的 4% 基本保持不變。

由于推出了 390 億美元的芯片制造補貼計劃,美國「芯片法案」帶動本土的英特爾、美光、德州儀器,以及外來的臺積電和三星電子等國際巨頭企業在美國大規模興建 12 英寸晶圓廠。

英特爾在亞利桑那州投資了 200 億美元建設兩座晶圓廠,2022 年 9 月,英特爾又斥資 200 億美元在俄亥俄州建造兩座先進制程晶圓廠,而且,類似的投資在未來還會增加,十年內的總額可能會達到 1000 億美元。

「芯片法案」公布之后,美光就宣布了 400 億美元的投資計劃,這一投資持續到 2030 年,將分階段在美國建設先進制程存儲芯片晶圓廠。

臺積電在亞利桑那州建設的 5nm 晶圓廠已經搬入設備,在此基礎上,該晶圓代工龍頭 2022 年 12 月宣布將再建一座 3nm 制程晶圓廠,這些項目投資加起來,不少于 400 億美元。三星在德克薩斯州新建了一座 12 英寸晶圓廠,其總投資也將由原計劃的 170 億美元提升至 250 億美元。

在歐洲,臺積電,英特爾都有新建 12 英寸晶圓廠的計劃,目前正在規劃當中。

12 英寸晶圓的魅力

目前,硅晶圓的主力是 8 英寸和 12 英寸的,而從前文所述,以及目前的市場行情來看,12 英寸的明顯壓過 8 英寸一頭,這是為什么呢?

一個很重要的原因就是先進制程的發展。14nm 以下的芯片,如已經量產的 7nm、5nm、4nm、3nm,以及未來的 2nm 等,都是用 12 英寸晶圓制造的。原因在于:制程工藝越復雜,芯片的成本越高,為了控制成本,就要最大化地利用硅晶圓,而晶圓尺寸越大,浪費的越少,利用率越高。例如,用 8 英寸和 12 英寸晶圓生產同一制程工藝的芯片,12 英寸所產芯片數量是 8 英寸的 2.385 倍。

12 英寸晶圓的表面積大約為 70659 平方毫米,以華為麒麟 990 5G 處理器為例,其單個芯片面積為 10.68×10.61=113.31 平方毫米,如果晶圓能夠被 100% 利用,可以生產出 700 個這樣的芯片,但實際上這是不可能的,芯片是方形的,晶圓是圓形的,一定會有損耗,理論計算可以產出 640 個左右,但考慮到良率等因素,實際能生產出 500 個左右。

再有,12 英寸晶圓廠潔凈度要比 8 英寸高出不少,因此,同樣的芯片產品從 8 英寸產線轉移到 12 英寸的,其良率會明顯提升,從而增加成本效益。

8 英寸晶圓廠還有前途嗎?

12 英寸晶圓的成本效益高,全球各大芯片廠商也在興建 12 英寸晶圓廠,難道 8 英寸晶圓產線已經成為昨日黃花,沒有價值了?答案是否定的。

這里有一組數據,截至 2022 年,全球有 150 多座 12 英寸晶圓廠,其中,42 座在中國臺灣,33 座在中國大陸,19 座在美國,12 座在歐洲和中東。雖然先進制程工藝很重要,且吸引了大量投資,但仍有相當大比例的芯片在 8 英寸晶圓廠生產,特別是 90nm-180nm 工藝節點芯片,是 8 英寸產線的天下。截至 2022 年,全球約有 230 座 8 英寸晶圓廠,其中,51 座在美國,49 座在歐洲和中東。

從 2018 年起,8 英寸晶圓芯片產能就處于供給不足的狀態,這種狀況一直持續到 2022 上半年,特別是在中國大陸,無論是 IDM,還是晶圓代工廠,8 英寸晶圓產能一直都很緊俏,產能利用率相當高。

出現這種狀況的原因主要是市場對模擬芯片的需求量一直在提升,功率器件、電源管理芯片、CMOS 圖像傳感器、MEMS 傳感器、RF 收發器、濾波器,PA、ADC、DAC 等,大都在 8 英寸晶圓產線投產。

SEMI 預計,2019~2022 年,全球 8 英寸晶圓產量增加約 70 萬片,增幅為 14%,其中,MEMS 和傳感器相關產能約增加 25%,功率器件產能提高約 23%。2019 年,在 15 個新晶圓廠建設計劃中,約有一半是 8 英寸的。

8 英寸晶圓產能為何滿足不了應用需求呢?主要原因有如下幾點。

一、市場對模擬芯片的需求強勁,特別是新能源汽車的快速發展,對功率器件(IGBT、MOSFET 等)的需求相當強勁,而這些芯片主要在 8 英寸晶圓產線生產。

二、晶圓代工廠的 8 英寸線產能普遍緊張,而且,大部分模擬、分立器件市場由 IDM 大廠把持,但因產能有限,這些 IDM 通常會將訂單外包給晶圓代工廠,同時,在從 6 英寸轉向 8 英寸過程中,部分 IDM 的主要產能專注于 12 英寸線,沒有額外增添 8 英寸線,這樣就不得不將 8 英寸產品外包。因此,大部分 IDM 擴產幅度比需求增長幅度低,外包的比例會越來越高,這樣就加劇了 8 英寸晶圓代工產能供不應求的情勢。

三、相關設備供給不足,很多設備廠已經不再生產 8 英寸晶圓加工設備了,二手設備數量又很有限,以及 8 英寸硅片產量受限等,也在制約 8 英寸晶圓產能供給量。

2008-2016 年,全球共有 15 座 8 英寸晶圓廠轉型為 12 英寸的,然而,從 2016 年開始,8 英寸晶圓廠關閉的速度開始減緩,這種態勢一直持續到 2021 年前后,8 英寸晶圓產線似乎煥發了第二春。

疫情爆發以來,全球半導體業呈現出異常紅火的局面,特別是 2020 年到 2022 上半年,各種芯片供不應求,8 英寸晶圓產能的市場需求非?;鸨?。但從 2022 下半年開始,這股芯片熱快速降溫,進入 2023 年以來,各種芯片全面過剩,8 英寸晶圓產能不再像過去幾年那么火爆了。不過,這是全行業共有的狀況,并不是 8 英寸獨有的。業界普遍估計,到了 2024 年,全球半導體業將全面復蘇,到那時,8 英寸晶圓產能需求有望再次熱火起來。



關鍵詞: 晶圓廠

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