[原创] 功率半导体发威，晶圆厂转型加速
2021-03-11
14:00:13
来源: 半导体行业观察
近期，行业出现了一股热潮，即越来越多的模拟芯片企业，特别是功率半导体厂商或业务部门，热衷于兴建12英寸晶圆产线。
3月10日，东芝宣布，计划引进一条新的12英寸晶圆生产线。传统上，该公司的功率半导体主要使用8英寸晶圆生产。而随着采用12英寸晶圆生产模拟芯片成为全球趋势，该公司似乎也在跟紧潮流。东芝表示，新厂建成后，可将功率半导体产能提高20%。
据悉，东芝引进12英寸晶圆生产线的主要目标是提高低压MOSFET和IGBT的生产能力。根据规划，新产线将于2023财年上半年投产，该公司表示，将根据市场趋势，逐步确定后续投资计划，并将继续扩大日本工厂的分立器件，特别是功率半导体器件的生产。
同样是在本周，欧洲大厂博世正在德国德累斯顿建设新的12英寸晶圆厂，投资额达到10亿欧元。计划今年下半年实现商用生产。其生产的产品主要是用于汽车的功率半导体，如用于电动和混合动力汽车的DC-DC转换器等。
2月，汽车功率半导体龙头企业英飞凌宣布，为了缓解全球车用芯片产能不足的困境，将在奥地利新建12英寸晶圆厂，专门用于生产车用芯片，预计将于今年第三季度动工。后续还计划在德国也建一座与奥地利相同的新厂。
同样的情况也发生在中国，在大陆地区，闻泰旗下的安世半导体，以及士兰微电子这两家企业，是车用芯片和功率半导体的龙头企业，他们都于近几个月在新建12英寸晶圆厂方面有大动作。
2020年12月，士兰微电子位于厦门的12英寸芯片生产线正式投产。该公司规划建设两条以功率半导体、MEMS传感器芯片为主要产品的12英寸特色工艺产线，本次投产的就是其中的一期项目。
近期，安世半导体宣布在上海临港投资120亿元新建一座12英寸晶圆厂，将于2022年开始运营，年产能大约是40万片，主产功率半导体。
综上可见，近一年时间内，全球半导体热点地区的厂商，特别是模拟芯片IDM，都在新建以功率半导体为主要产品的12英寸晶圆厂，特别是从2020年底出现车用芯片荒之后，这样的建厂动作指向性就显得更加明确，即主攻以车用芯片为重点的功率半导体。
实际上，这这些厂商动作之前，全球排名前两位的模拟芯片大厂德州仪器（TI）和ADI就已经开展了类似的建厂计划，其中包括但不限于功率半导体。在逐步关闭老旧的6英寸、8英寸晶圆厂的同时，将兴建12英寸新厂作为发展重点。
因此，全球8英寸功率半导体厂有向12英寸转型之势，再加上早就在向12英寸晶圆转移的逻辑和存储芯片，数字和模拟芯片向更高生产效率迈进的脚步愈加一致。
据SEMI统计和预测，2020年，全球用于12英寸晶圆厂的投资额有望同比增长13%，创造历史新纪录。而且，由于疫情影响，全球数字化转型进程将加速，这样，2021年在12英寸晶圆厂上的投资将再创新高，预计同比增长4%，之后的2022 年稍微放缓后，2023年将再创新高，达到700亿美元的规模。
涉及到具体的芯片产品，12英寸晶圆厂最大资本支出依然会用在存储芯片（DRAM和3D NAND）上，预计2020到2023年的实际和预测投资额每年都将以高个位数稳健增长，2024年幅度有望进一步扩大到10%。另外，用于逻辑芯片/MPU和MCU的投资在2021到2023年也将稳步提高。
特别值得关注的是功率器件，用在该类产品的投资增长幅度在2021年有望超过200%，而2022和2023年也将保持两位数的增长率。这样的增长势头与上文提到的各家厂商“扎堆”新建功率半导体12英寸晶圆厂的现象十分契合。
以功率半导体为代表的模拟芯片产线，之所以从8英寸向12英寸晶圆转移，主要原因有二：一是12英寸晶圆具有更高的生产效率和经济效益；二是当下以车用芯片为代表的相关产能严重不足，促使向12英寸晶圆转移。
晶圆尺寸越大，可利用效率越高。12英寸晶圆拥有较大的晶方使用面积，得以达到效率最佳化，相对于8英寸晶圆而言，12英寸的可使用面积超过两倍。
由于晶圆尺寸越大，成本效率越高，特别是在当下行业对产能要求大量增加的情况下，12英寸晶圆的优势越来越明显，相关的转型案例也越来越多。
对于传统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。
在模拟芯片市场，像TI、ADI、Maxim这样的厂商，都有着高于行业平均水平的毛利率。以TI为例，在过去10年内，其利润和利润率保持上升态势。按照TI的说法，创造高利润率与他们用12英寸晶圆厂生产模拟芯片、降低成本有关。
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。
TI拥有两个12英寸晶圆厂，2018年，其12英寸晶圆模拟芯片产量占其整体模拟芯片产量的50％左右。考虑到5G，IoT、汽车和云计算等应用的成熟和大规模扩展，会推动相关模拟芯片需求的增长，因此，该公司有充分的理由进行12英寸晶圆厂扩展，以保持并进一步提升其高利润率。
当下，芯片产能不足已成为全球性难题，尤以车用芯片为最，其中，功率半导体更是供不应求。
在过去很长一段时间内，功率半导体器件都是采用8英寸晶圆生产的。随着市场对功率器件的需求不断提升，而这也给了8英寸晶圆更多的商业机遇。
汽车和工业应用是功率器件增长的主要驱动力。据Gartner统计，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预计，在功率半导体年出货量方面，2016~2021的年复合增长率为5.2%。受益于汽车和工业应用驱动，预计未来3年功率分立器件市场仍将保持5%左右的增速。
SEMI的数据显示，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，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。这是各大厂商向12英寸晶圆转移的一个重要原因。
8英寸产能紧张程度延续到了2021上半年，除非有厂商愿意从8英寸转至12英寸晶圆生产，只有这样才能在短时间内缓和8英寸产能的紧张情况。目前看来，以晶粒较大的指纹辨识IC和功率器件等产品转到12英寸生产的可行性较高。
指纹辨识IC厂商神盾证实，该公司确实从一、两年前就着手规划从8英寸转至12英寸晶圆生产，预计今年下半年流片，明年将会大量转换。除了成本之外，产能是神盾此举更重要的考量因素。
而在功率半导体方面，如前文所述，多家IDM企业都在新建12英寸晶圆厂。
功率半导体对晶圆的消耗量巨大，一般情况下，一片8英寸晶圆仅能切割70~80颗IGBT芯片。目前，电动车处于渗透率快速提升阶段，汽车半导体用量需求的成长空间很大，这些将带动硅晶圆产业进入长期、持续的供需紧张状态。
例如在纯电动车方面，一辆tesla model x汽车需要使用84颗IGBT，这样算来，基本上一辆车就要消耗掉一片晶圆。混合动力汽车的功率半导体用量相对较少，以宝马i3为例，单辆汽车的功率半导体硅晶圆消耗量约为1/4片。
预计到2022年，全球电动车销量有望突破1000万辆，以平均每辆车消耗1/2片硅晶圆计算，对应功率半导体硅晶圆消耗量将达到500万片左右。
近一年来，MOSFET、TVS、肖特基二极管等功率器件产品的交期普遍延长，行业呈现出明显的供不应求态势，这其中，来自汽车用的功率器件是重要组成部分。
与此同时，英飞凌等国际大厂均优先将产能分配给了毛利率较高的新产品，如汽车和工业用器件，退出了中低压MOSFET，这就导致MOSFET供需缺口扩大。去年，英飞凌、意法半导体等大厂的MOSFET产能就被预订一空，ODM/OEM及系统厂只能大举转单中国台湾MOSFET厂，包括富鼎、大中、尼克森、杰力第三季接单全满，涨价5%～10％后的产能已全数卖光。
一般情况下，MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期在8~12周左右，但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已延长到20~40周，而低压MOSFET交期接近或超过40周，其中，汽车功率器件的货期问题尤为显著，IGBT的交期最高已经达到52周。
在这种状况下，要提升产能，将8英寸产线转为12英寸，以提升生产效率和芯片绝对数量，就成为了各大模拟芯片，特别是功率器件厂商的共同选择。
当下，美国、欧洲，以及中国大陆的功率半导体、车用芯片厂商，很多都在新建12英寸晶圆厂，而8英寸向12英寸晶圆产线转移已经持续多年，当下的全球性芯片缺货在很大程度上加速了这一趋势转换。这种情况下，今后两年内，不知道是否能解决8英寸晶圆厂产能不足的问题，结果值得期待。
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