[原创] 8英寸热潮涌动晶圆江湖
2020-08-18
14:00:03
来源: 半导体行业观察
在过去一个多月的时间内，以台积电、联电和中芯国际为代表的几大晶圆代工厂商纷纷发布了2020第二季度财报，结果喜人，“涨”声一片，靓丽的营收数据将全球晶圆代工业再一次推上了产业潮头。而在这些财报内容当中，有一部分在不同的厂商呈现出了相同的状况。
台积电8英寸生产线的产能十分紧张，该公司已经提高了8英寸晶圆代工的报价，上调幅度为10%-20%。
联电的业绩也达到了近些年的顶点，特别是其擅长的8英寸晶圆代工业务，处于完全满载的状态。这在很大程度上推动该公司股价大涨，在近期屡创10多年来高点，并与台积电在同一天涨停，非常罕见。
再有，中芯国际的8英寸产能也处于满载状态，为了缓解产能供需矛盾，该公司计划在今年年底前增加3万片8英寸月产能。
由此可见，市场对8英寸晶圆产能的需求又一次来到了历史高位，而上一次全球性8英寸产能吃紧出现在2018年。
2018年那一波
采用8英寸晶圆生产的芯片主要包括功率器件和电源管理芯片，显示驱动芯片，MCU，以及射频开关和MEMS传感器，另外还有CIS（CMOS图像传感器）等。
2018年那一波来的同样凶猛，令业界猝不及防，当12英寸项目如火如荼的时候，人们突然发现“落后”的8英寸晶圆产能不够了。而造成当时产能不足的原因也是多方面的，而且，多个因素一直延续到现在，依然没有得到根本解决。
首先，最重要的因素还是应用需求的供需关系，虽然采用8英寸晶圆制造的芯片种类有多种，但在不同时期和阶段，由于某一种爆款应用的出现，会使所采用的相应种类芯片在那一段时期内的需求量突然增长，从而在很大程度上影响8英寸晶圆的产能。
2018年，功率器件和电源管理芯片的上涨势头迅猛，这在很大程度上造就了当年的8英寸晶圆热。而汽车和工业应用是功率器件增长的主要驱动力。当时，在全球半导体市场中，工业应用和汽车电子的增速最快，而工业应用和汽车电子的应用增量主要来自于功率半导体。
据IC insights统计，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仍将保持5%左右的增速。
而功率分立器件约占8英寸晶圆应用的16%。由于8英寸晶圆设备短缺（无论是在当时，还是2020年的现在，这一直是一个没有完全解决的问题），全球8英寸晶圆产能增长率仅为1~2%，低于功率半导体和功率分立器件的增速。
因此，汽车电子和工业应用对功率半导体需求大于供给导致功率半导体涨价，而功率半导体对8英寸晶圆产能需求大于供给，很大程度上导致了当时8英寸晶圆涨价。
在所有功率器件中，IGBT是最具增长潜力的。IHS预计，全球IGBT市场在2016~2021期间的年复合增长率为8%，汽车和工业应用是主要驱动力，而全球MOSFET市场在2016~2021期间的年复合增长率为3%，工业应用是主要驱动力。
除了应用的供需关系外，8英寸硅片产能不足，也是一个原因。在2017年的基础上，2018年8英寸晶圆价格继续攀升。上游硅片产能难以满足下游快速增长的需求，例如，硅片大厂SUMCO在2018年第一季度财报显示，硅片出厂价格增长预期达到20%，2018年Q4价格较2016年Q4增长了40%。
另外，8英寸晶圆设备供给不足也是一个重要原因，这从根本上影响了8英寸晶圆厂的产能。
2020这一波
在经历了2019上半年全行业的低迷之后，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，但它未能阻挡8英寸晶圆芯片需求的进一步提升，从而使产能再一次出现全球性紧张状况。
而促使这一局面出现的首要原因依然是相关“爆款”应用所用的芯片需求量暴涨。2018年那一波的典型代表是功率器件，而2020年这一波爆款芯片则是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，随着上游晶圆的产能愈发紧张，CIS芯片的供货缺口也进一步加大。5M及以下的CIS出现了两次大规模涨价，而涨价的厂商大都分布在我国大陆地区，其中，格科微的缺货情况尤为明显，为缓解压力，格科微不得不在短期内两次上调产品价格，整体涨幅接近40%。此外，思比科、比亚迪等多家CIS芯片厂商同样有调价操作。
而全球三大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的商机，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，其对CIS的需求量在未来几年还将大涨。Yole的预测数据显示，全球3D成像和传感器的市场规模在2016–2022年的CAGR为38％，2017年市场规模18.3亿美元，2022年将超过90亿美元。其中，消费电子是增速最快的应用市场，2016–2022年的CAGR高达160％。而CIS是ToF的必需元器件。因此，未来的手机上除了还会继续增加摄像头之外，还需要有ToF，这就又多了一个CIS的需求源。使得未来的CIS市场被无限看好。
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，AMOLED和TDDI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。
除了爆款应用芯片需求暴涨之外，8英寸硅片供给跟不上应用需求，以及相应晶圆加工设备的不足，同样影响着2020年这一波8英寸晶圆产能的供给。
特别是半导体设备不足，近些年，这一短板始终是8英寸晶圆产能抹不去的痛。
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，部分设备太老旧或者难以修复，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。
目前，8英寸晶圆代工产线设备主要来自二手市场，多来自从8英寸向12英寸升级的内存厂商，如三星和海力士，而旧设备市场资源有限，已经呈现出逐渐枯竭的态势，其中，蚀刻机、光刻机、测量设备最为抢手。
这一点在中国市场体现得尤为突出，二手设备在这里非常强手，已经形成了一条产业链，近几年，多家晶圆厂都是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就是青岛芯恩，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，取得了比较好的效果。
然而，再过去几年里，特别是2014年国家推出集成电路“大基金”后，大量晶圆厂项目上马，而立项的多是12英寸项目。不过，从目前情况来看，真正投产并实现量产的项目不多。来自芯谋研究的统计显示，目前国内真正进入量产的12英寸产线主体只有8家（新芯是长存子公司，和长存算一家）——代工厂四家：中芯、华虹、新芯、粤芯；存储厂两家：长存、长鑫；台资企业三家：台积电（南京）、联电（厦门）、晶合（合肥）.其中，量产的大陆12英寸只有5家主体企业，目前量产的产线也只有9条。代工企业更是只有4家（新芯和粤芯目前都仅有一个厂，产能均不到3万片）.特别要注意的是，自2006年以来，本土12英寸晶圆代工新进入主体中，只有粤芯一家实现了量产。
这样，由于在12英寸晶圆厂上投入了大量的精力和资源，一定会削弱在8英寸上的投入，而且，由于各种原因，使得很多12英寸的未能实现量产，这必定会在客观上加重市场对8英寸产线的依赖，此消彼长，产能更加吃紧。
另外，还有一个因素，即传统的IDM正在缩减8英寸产线规模，将资源和精力更多地投入到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显得越来越低，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英寸产线外，像TI和ADI这样的老牌儿模拟芯片巨头，可以将越来越多的8英寸晶圆加工任务外包给晶圆代工厂，而它们自己主攻12英寸产线。这样，客观上减少了8英寸晶圆产线，同时也为晶圆代工厂火爆的生意加了一把火。
不只是近些年，从历史发展情况来看，8英寸晶圆厂的数量也一直呈现下降态势。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。而据SEMI统计，全球8英寸晶圆厂产能增长速度极低，2015~2017年仅增长约7%。
另外，部分6英寸产线关闭，将产能转单至8英寸线。2010~2016年间，约有25座6英寸晶圆厂关闭，相应产能减少约453 k wpm（换算为8英寸），而6英寸线产能减少之后，原产线的产品（如分立器件、功率器件、MEMS、模拟芯片）将会切换至8英寸晶圆产线。这又额外加重了8英寸产能的负担。
未来那一波
以上谈到的8英寸晶圆主要是传统的Si（硅）材料和工艺，随着应用的需求和技术的进步，以SiC和GaN为代表的第三代化合物半导体需求正在提升，其中，GaN有Si基和SiC基两种，目前来看，Si基GaN市占率明显高于SiC基的，而Si基GaN的抛光片基本就是传统的晶圆，未来有较大发展空间。
当下，第三代化合物半导体晶圆以6英寸为主（也有4英寸的）。不过，随着技术的不断成熟，以及市场需求的增长，第三代化合物半导体也要面对类似于当下8英寸晶圆线减少，12英寸增加的态势，不同的是，化合物半导体会从6英寸晶圆向8英寸转变，主要是因为今后越来越大规模量产之后，对投入产出比的考量。目前，欧洲相关机构和公司在这方面的研究正在进行，无论是GaN还是SiC，将来很有可能都会以8英寸晶圆为主。一旦这一天到来，必定会给8英寸晶圆市场再添一把火。
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