12英寸晶圓廠真的要取代8英寸嗎？

過去幾年，全球晶圓廠建設(shè)如火如荼，突如其來(lái)的疫情，雖然對(duì)產(chǎn)能建設(shè)造成了一些影響，但總體規(guī)劃和發(fā)展態(tài)勢(shì)沒有變，特別是 12 英寸（300mm）晶圓廠，規(guī)模和聲勢(shì)更加引人關(guān)注。

以疫情剛剛爆發(fā)的 2020 年為例，來(lái)自 SEMI 的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年，全球用于 12 英寸晶圓廠的投資額同比增長(zhǎng) 13%，創(chuàng)造歷史新紀(jì)錄。而且，由于疫情影響，全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程加速，這樣，2021 年在 12 英寸晶圓廠上的投資再創(chuàng)新高，同比增長(zhǎng)約 4%，之后的 2022 年稍微放緩。

從當(dāng)時(shí)的預(yù)測(cè)情況來(lái)看，2022 年之前沒有大問題，但對(duì) 2023 年的預(yù)測(cè)顯然過于樂觀了，今年的情況并不好。

在晶圓廠數(shù)量方面，SEMI 表示，排除低可能性或謠傳的晶圓廠建設(shè)，保守估計(jì)，2020- 2024 年至少新增 38 座 12 英寸晶圓廠，其中，中國(guó)臺(tái)灣增加 11 座，中國(guó)大陸增加 8 座，兩地區(qū)合計(jì)占總數(shù)的一半。預(yù)計(jì) 2024 年 12 英寸晶圓廠總數(shù)將達(dá)到 161 座，晶圓廠月產(chǎn)能有望增長(zhǎng) 180 萬(wàn)片 (wpm)，達(dá)到 700 萬(wàn)片以上。

近幾年，雖然中國(guó)大陸在 12 英寸晶圓廠建設(shè)方面出現(xiàn)了不少泡沫，但總體增長(zhǎng)的勢(shì)頭，特別是市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)能的需求量一直是剛性增長(zhǎng)。在這種情況下，中國(guó)大陸產(chǎn)能占全球比重將快速增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015 年的市占率僅為 8%，而到 2024 年將增至 20%，月產(chǎn)能也將達(dá)到 150 萬(wàn)片。

與中國(guó)大陸相比，日本在全球 12 英寸晶圓產(chǎn)能比重持續(xù)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(rèn)為，韓國(guó)將成為最具發(fā)展?jié)摿Φ氖袌?chǎng)，投資額在 150 億-190 億美元之間，緊隨其后的中國(guó)臺(tái)灣投資額約為 140 億-170 億美元，中國(guó)大陸為 110 億-130 億美元。

前些天（3 月 27 日），SEMI 發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，在 2021 和 2022 年強(qiáng)勁增長(zhǎng)后，由于存儲(chǔ)和邏輯芯片需求疲軟，預(yù)計(jì) 2023 年 12 英寸晶圓廠產(chǎn)能擴(kuò)張將放緩，不過，這只是短暫「休息」，SEMI 認(rèn)為，到 2026 年，全球 12 英寸晶圓廠產(chǎn)能將增加到每月 960 萬(wàn)片，創(chuàng)歷史新高。

SEMI 總裁 Ajit Manocha 表示，在 2022-2026 年間，新增產(chǎn)能的主要驅(qū)動(dòng)力為：模擬和功率器件 IDM 的產(chǎn)能以 30% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率領(lǐng)先，其次是晶圓代工業(yè)，增長(zhǎng)率為 12%，之后是光電器件的 6%，存儲(chǔ)芯片的 4%。包括格芯（GlobalFoundries）、華虹半導(dǎo)體、英飛凌、英特爾、Kioxia、美光、三星、SK 海力士、中芯國(guó)際、意法半導(dǎo)體、德州儀器、臺(tái)積電和聯(lián)電在內(nèi)的 IDM 和晶圓代工廠，將有 82 座新廠在 2023-2026 年期間運(yùn)營(yíng)。

由于美國(guó)的出口管制，中國(guó)大陸企業(yè)和政府將 12 英寸晶圓廠投資重點(diǎn)放在了成熟制程產(chǎn)線上，其全球份額將從 2022 年的 22% 增加到 2026 的 25%，產(chǎn)能達(dá)到每月 240 萬(wàn)片。

根據(jù) SEMI 的預(yù)測(cè)，2022-2026 年，由于存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)需求疲軟，韓國(guó)占全球 12 英寸晶圓產(chǎn)能比重將從 25% 下滑至 23%，盡管中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的份額也會(huì)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(yù)計(jì)將從 2022 年的 13% 下降到 2026 年的 12%。

在政府投資的推動(dòng)下，2022-2026 年，預(yù)計(jì)美洲、歐洲和中東地區(qū)的 12 英寸晶圓產(chǎn)能份額將增長(zhǎng)，到 2026 年，美洲的份額將增長(zhǎng) 0.2% 至接近 9%，歐洲和中東地區(qū)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(bǔ)貼計(jì)劃，美國(guó)「芯片法案」帶動(dòng)本土的英特爾、美光、德州儀器，以及外來(lái)的臺(tái)積電和三星電子等國(guó)際巨頭企業(yè)在美國(guó)大規(guī)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(shè)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(jìn)制程晶圓廠，而且，類似的投資在未來(lái)還會(huì)增加，十年內(nèi)的總額可能會(huì)達(dá)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(jì)劃，這一投資持續(xù)到 2030 年，將分階段在美國(guó)建設(shè)先進(jìn)制程存儲(chǔ)芯片晶圓廠。

臺(tái)積電在亞利桑那州建設(shè)的 5nm 晶圓廠已經(jīng)搬入設(shè)備，在此基礎(chǔ)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(xiàng)目投資加起來(lái)，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(jì)劃的 170 億美元提升至 250 億美元。

在歐洲，臺(tái)積電，英特爾都有新建 12 英寸晶圓廠的計(jì)劃，目前正在規(guī)劃當(dāng)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(chǎng)行情來(lái)看，12 英寸的明顯壓過 8 英寸一頭，這是為什么呢？

一個(gè)很重要的原因就是先進(jìn)制程的發(fā)展。14nm 以下的芯片，如已經(jīng)量產(chǎn)的 7nm、5nm、4nm、3nm，以及未來(lái)的 2nm 等，都是用 12 英寸晶圓制造的。原因在于：制程工藝越復(fù)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(fèi)的越少，利用率越高。例如，用 8 英寸和 12 英寸晶圓生產(chǎn)同一制程工藝的芯片，12 英寸所產(chǎn)芯片數(shù)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(gè)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(chǎn)出 700 個(gè)這樣的芯片，但實(shí)際上這是不可能的，芯片是方形的，晶圓是圓形的，一定會(huì)有損耗，理論計(jì)算可以產(chǎn)出 640 個(gè)左右，但考慮到良率等因素，實(shí)際能生產(chǎn)出 500 個(gè)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(chǎn)品從 8 英寸產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到 12 英寸的，其良率會(huì)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(chǎn)線已經(jīng)成為昨日黃花，沒有價(jià)值了？答案是否定的。

這里有一組數(shù)據(jù)，截至 2022 年，全球有 150 多座 12 英寸晶圓廠，其中，42 座在中國(guó)臺(tái)灣，33 座在中國(guó)大陸，19 座在美國(guó)，12 座在歐洲和中東。雖然先進(jìn)制程工藝很重要，且吸引了大量投資，但仍有相當(dāng)大比例的芯片在 8 英寸晶圓廠生產(chǎn)，特別是 90nm-180nm 工藝節(jié)點(diǎn)芯片，是 8 英寸產(chǎn)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(guó)，49 座在歐洲和中東。

從 2018 年起，8 英寸晶圓芯片產(chǎn)能就處于供給不足的狀態(tài)，這種狀況一直持續(xù)到 2022 上半年，特別是在中國(guó)大陸，無(wú)論是 IDM，還是晶圓代工廠，8 英寸晶圓產(chǎn)能一直都很緊俏，產(chǎn)能利用率相當(dāng)高。

出現(xiàn)這種狀況的原因主要是市場(chǎng)對(duì)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(fā)器、濾波器，PA、ADC、DAC 等，大都在 8 英寸晶圓產(chǎn)線投產(chǎn)。

SEMI 預(yù)計(jì)，2019~2022 年，全球 8 英寸晶圓產(chǎn)量增加約 70 萬(wàn)片，增幅為 14%，其中，MEMS 和傳感器相關(guān)產(chǎn)能約增加 25%，功率器件產(chǎn)能提高約 23%。2019 年，在 15 個(gè)新晶圓廠建設(shè)計(jì)劃中，約有一半是 8 英寸的。

8 英寸晶圓產(chǎn)能為何滿足不了應(yīng)用需求呢？主要原因有如下幾點(diǎn)。

一、市場(chǎng)對(duì)模擬芯片的需求強(qiáng)勁，特別是新能源汽車的快速發(fā)展，對(duì)功率器件（IGBT、MOSFET 等）的需求相當(dāng)強(qiáng)勁，而這些芯片主要在 8 英寸晶圓產(chǎn)線生產(chǎn)。

二、晶圓代工廠的 8 英寸線產(chǎn)能普遍緊張，而且，大部分模擬、分立器件市場(chǎng)由 IDM 大廠把持，但因產(chǎn)能有限，這些 IDM 通常會(huì)將訂單外包給晶圓代工廠，同時(shí)，在從 6 英寸轉(zhuǎn)向 8 英寸過程中，部分 IDM 的主要產(chǎn)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(chǎn)品外包。因此，大部分 IDM 擴(kuò)產(chǎn)幅度比需求增長(zhǎng)幅度低，外包的比例會(huì)越來(lái)越高，這樣就加劇了 8 英寸晶圓代工產(chǎn)能供不應(yīng)求的情勢(shì)。

三、相關(guān)設(shè)備供給不足，很多設(shè)備廠已經(jīng)不再生產(chǎn) 8 英寸晶圓加工設(shè)備了，二手設(shè)備數(shù)量又很有限，以及 8 英寸硅片產(chǎn)量受限等，也在制約 8 英寸晶圓產(chǎn)能供給量。

2008-2016 年，全球共有 15 座 8 英寸晶圓廠轉(zhuǎn)型為 12 英寸的，然而，從 2016 年開始，8 英寸晶圓廠關(guān)閉的速度開始減緩，這種態(tài)勢(shì)一直持續(xù)到 2021 年前后，8 英寸晶圓產(chǎn)線似乎煥發(fā)了第二春。

疫情爆發(fā)以來(lái)，全球半導(dǎo)體業(yè)呈現(xiàn)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(yīng)求，8 英寸晶圓產(chǎn)能的市場(chǎng)需求非?；鸨?。但從 2022 下半年開始，這股芯片熱快速降溫，進(jìn)入 2023 年以來(lái)，各種芯片全面過剩，8 英寸晶圓產(chǎn)能不再像過去幾年那么火爆了。不過，這是全行業(yè)共有的狀況，并不是 8 英寸獨(dú)有的。業(yè)界普遍估計(jì)，到了 2024 年，全球半導(dǎo)體業(yè)將全面復(fù)蘇，到那時(shí)，8 英寸晶圓產(chǎn)能需求有望再次熱火起來(lái)。