供應商正在投資新的12英寸（300mm）晶圓產能，但這可能還不夠。盡管8英寸（200mm）晶圓的需求迅速增長，但只有位于芬蘭的中國公司Okmetic 和中國的新玩家正在增加產能。

作者簡介：

阿黛爾·哈斯，半導體工程特約作家。自 1980 年代以來，她一直在科技領域工作。她最近完成了為期 15 年的 SOI 新聞總編輯的工作。在此之前，她是十幾家科技和貿易出版物的特約編輯，包括 Semiconductor International、Design News、Lightwave、Control Engineering、Computer Graphics World、EETimes、Automotive Industries 和 Byte。

以下為編譯全文：

《300mm的晶圓短缺得到改善，但不是200mm的晶圓》

半導體晶圓的供應鏈失衡，需求明顯高于晶圓供應商的能力，造成的短缺可能持續數年。

對于12英寸晶圓，排名前五的大廠商——日本硅晶圓制造商 SEH和 Sumco、德國的 Siltronic、中國臺灣的環球晶（GlobalWafers）和韓國的 SK Siltron——終于在去年采取了行動，它們在新的晶圓設施上投入了數十億美元。這五大廠商占據了 90％ 的市場份額，但它們的“新建”晶圓廠最早要到 2024 年才能生產晶圓。

其中較大的玩家里，只有生產用于 MEMS、傳感器、射頻和功率器件制造的先進定制硅晶圓的 Okmetic（市場份額排名第 7）正在投資8英寸產線。還有一些玩家來自中國，中國有一個廣泛但相當分散的晶圓供應商群體正在參與這場游戲。業內專家表示，中國生產商尚未掌握所需的質量水平，但他們達到標準可能只是時間問題。

體積和成本是12英寸的關鍵所在。但在8英寸晶圓上構建的芯片是許多終端產品的關鍵路徑。正如 Okmetic 的 CCO 和SEMI 硅晶圓制造商集團的新主席 Anna－Riikka Vuorikari－Antikainen指出的那樣，消費者不愿意購買沒有雷達的汽車、沒有先進傳感器的洗衣機或沒有 5G 的手機。這些市場依賴于通常在8英寸晶圓上制造的芯片，而這些8英寸晶圓通常具有它們所服務的市場所獨有的特性，體積更小，制造通常更復雜。但在最終產品中，很可能包括成百上千的芯片，任何一個芯片的短缺仍然會造成供應瓶頸。

不過，晶圓供應商不能只是加快速度生產晶圓。正如 Techcet 的市場研究總監 Dan Tracy 所說，晶圓制造沒有摩爾定律，制作晶圓是一個艱巨的過程。此外，他指出，僅在過去一年，硅晶圓收入才恢復到 2007 年的水平，目前的 ASP （晶圓代工平均售價）仍比 2007 年低 36％。

硅晶圓收入預測（2022 年 2 月更新）；硅晶圓收入在 2021 年增長 14．5％，最終達到 2007 年的水平；資料來源：Techcet

但現在，由于產能比以往任何時候都更加緊張，價格正在上漲——晶圓供應商報告的盈利能力創歷史新高，尤其是對12英寸晶圓的需求。然而，他說，“問題不在于價格，而在于供應鏈的穩定性?！?/p>

Tracy說，2021年是創紀錄的一年?？傮w而言，晶圓出貨面積增長了 14％ 至 142 億平方英寸，相當于 1，700 個美國足球場。與此同時，12英寸出貨量增長超過 13％，而8英寸出貨量增長超過 15％，從2020年開始強勁復蘇。Techcet 預計 2022 年整體出貨量將增長約 6％。

Techcet 表示，整個硅晶圓市場（包括 SOI 晶圓）的收入增長了 14．5％，并在 2022 年再次增長 10％，達到 155 億美元。這是十多年來晶圓行業首次連續兩年實現兩位數增長。

然而，這種增長是以美元為單位的，主要是由于價格上漲，而不是晶圓產量的增加。Tracy指出，2022年12英寸的需求量約為每月7200片晶圓（wpm）。但到2024年，即使以100％滿負荷運營，12英寸晶圓的總生產能力仍將低于需求的10％左右。

與此同時，在規模小得多但增長極快的市場中，例如基于碳化硅（SiC）晶圓的芯片，目前不存在短缺。但如果需求如預期的那樣發展，那么晶圓短缺也即將到來。

12英寸：緊缺到2024年及以后

12英寸晶圓的大量投資活動正在進行，但即便如此，需求仍將持續供不應求。

總部位于日本的兩家最大的晶圓供應商 SEH 和 Sumco 共同占據了超過 50％ 的市場份額。Sumco 在其 2021 財年業績報告中分享了一些啟發性的例子。

注：目前晶圓代工廠的擴建有兩種方式，分別是新建廠房擴產（Green Field）和使用當前廠房增加生產設備（Brown Field）。兩者的區別是，前者從新建到投產時間為2－3年，后者可以快速進行部署并投產。

即使有這么多新產能，未來幾年供應仍可能短缺。需要用到12英寸晶圓的設備多種多樣，不僅僅有智能手機，還有數據中心、汽車、個人電腦、人工智能、工業產品、消費品等。每個人都想要更多的芯片，而晶圓供應商確實無能為力。

最大的玩家 SEH 并沒有說太多。SEH 公司發言人在 2021年12月與分析師的電話會議中表示：“我們完全沒有改變我們的政策，以根據合同逐步增加產能。目前，公司繼續滿負荷運營，但我們無法完全滿足需求。2022年和2023年，使用當前廠房增加生產設備的投資將受到限制。新建廠房擴產的投資要到2024年才會開始發揮作用。因此，預計12英寸晶圓的短缺將持續一段時間?！?/p>

他補充說，SEH 的成本，包括材料和設備，遠高于該公司一年前首次考慮擴大投資時的成本。此外，為 SEH 開發一些高度專業化設備的設備供應商也遇到了產能壁壘。

他表示，今年一些客戶的銷量將會增加，同時價格也會上漲。但即使新建產能將于2024年投產，他們預計隨著新生產線的推出，產能將進一步提高，價格將進一步上漲。

同樣，在與分析師的 FY21 年終電話會議中，Sumco 表示，對于12英寸晶圓，“有邏輯和內存客戶進一步要求增加產量”，但“無法滿足要求”。事實上，盡管日本伊萬里耗資 20 億美元的12英寸新工廠預計將于2024年投產，但 Sumco 與客戶簽訂的長期協議（LTA）目前已占到 2026 年產能的100％。

就其而言，第三大晶圓供應商 GlobalWafers 此前欲收購第四大晶圓供應商 Siltronic。該交易原定于2022年1月敲定，但因未能及時獲得所有政府批準而被擱置。GlobalWafers 表示，他們指定用于收購 Siltronic 的大約 50 億美元將轉而用于產能擴張。其中 36 億美元將用于從今年開始到 2024 年的新建廠房擴產投資?！杜_北時報》最近的一篇文章指出，“中國臺灣、美國、意大利、韓國、日本和丹麥的六個地點有新建廠房擴產和使用當前廠房增加生產設備的項目”。

作為 Siltronic 的大股東，Wacker Chemicals仍然表示，它正在考慮在中期出售其剩余股份。與此同時，Siltronic 表現良好。2022 年第一季度的收入比 2021 年第四季度增長 10．7％，主要是因為平均售價增加，但也因為前幾年現有工廠的一些使用當前廠房增加生產設備的擴建。

關于向GlobalWafers的出售，早在1月份，當交易顯然無法通過時，Siltronic的首席執行官Christoph von Plotho告訴德國報紙F．A．Z． ：“發生了很大的變化。芯片稀缺，價格不斷上漲。從今天的角度來看，不變的報價不太有吸引力?！?/p>

與此同時，Siltronic 正在滿負荷運轉，并繼續向“FabNext”投資 20 億歐元，這是其在新加坡新建的12英寸晶圓廠。管理層將其描述為最先進且具有很高的成本效益的投資?！拔覀兒茏院?FabNext 的建設得到了長期采購協議（LTA）和幾個主要客戶的預付款的支持，”Siltronic 說。首批晶圓預計將于 2024 年上市。

在其位于德國弗萊貝格的工廠，Siltronic 正在建造一個新的晶體生產車間并在安裝新的外延反應器。其位于俄勒岡州波特蘭的工廠也有一些“適度擴張”。

韓國的 SK Siltron 在 5 大企業中也進行了用于12英寸晶圓制造的大筆投資。2022年3月，SK Siltron宣布投資約12億美元在韓國龜尾三產業園區擴大12英寸晶圓產能。在過去的兩年里，該公司一直在以最大的產能運行。

SK Siltron 總裁 Yong－ho Jang 告訴韓國 IT 新聞，“晶圓投資是一項風險投資，因為它很難準確預測并根據市場變化迅速做出反應。通過與全球半導體公司的合作和技術創新，我們將具備高質量的晶圓制造能力，成為晶圓領域的領導者。”

如果說12英寸晶圓市場吃緊的話，那么至少等到2024年才會有一些喘息的機會。

8英寸晶圓短缺——看不到盡頭

對于那些芯片基于8英寸晶圓的廠商來說，卻沒有得到喘息的運氣。2022年4 月，SEMI 發布了8英寸晶圓廠展望報告，報告表明，從2020年初到2024年底，全球半導體制造商有望將8英寸晶圓廠的產能提高 120 萬片，即 21％，達到每月 690 萬片的歷史新高。

“晶圓制造商將在五年內增加 25 條新的8英寸晶圓產線，以幫助滿足5G、汽車和物聯網（IoT）設備等依賴于模擬、電源管理、顯示驅動器集成電路、MOSFET、微控制器單元（MCU）和傳感器等應用不斷增長的需求?！盨EMI 總裁兼首席執行官 Ajit Manocha 說。

這在很大程度上是半導體行業“超越摩爾”的一部分。但是他們從哪里獲得支持擴張所需的晶圓呢？

唯一宣布擴大8英寸產能的重要晶圓供應商是芬蘭的 Okmetic，它無法應對行業預期的所有8英寸規模的增長。

Okmetic 的客戶將他們的晶圓用于智能手機、便攜式設備、汽車電子、工業過程控制和醫療應用、物聯網以及各種解決方案的芯片，以提高電力使用和效率。

自 1985 年由諾基亞和一家冶金公司創立以來，Okmetic一直負責整個晶圓工藝，從晶體生長開始，晶圓定制始于硅錠的生長，生長中的晶錠如何摻雜取決于客戶產品所需的特性——射頻器件的高電阻率和功率器件的低或中電阻率。同樣，MEMS 和傳感器需要專門定制的材料和工藝。

Okmetic 已為新的8英寸晶圓生產設施投資了 4 億歐元，這是公司歷史上最大的一筆投資，這將使他們能夠將公司的產能和業務擴大一倍以上。新工廠的晶圓生產預計將于2025年開始。在過去五年中，Okmetic 還投資了超過 1 億歐元來提高其萬塔（芬蘭）工廠的產能。

SEMI 報告顯示，今年全球8英寸晶圓廠產能中，代工廠將占 50％ 以上，其次是模擬制造商，占 19％，分立／電源制造商占 12％。從地區來看，2022年中國將以 21％ 的份額在8英寸晶圓產能方面領先世界，其次是日本，占 16％，中國臺灣和歐洲／中東各占 15％。

Gartner 研究、技術和服務提供商副總裁 Samuel T． Wang 總結道，對于 8英寸晶圓的短缺“看不到盡頭”。中國可能是唯一的解決方案。

SiC 快速發展，中國崛起

與此同時，中國正在為其晶圓供應商設定雄心勃勃的目標。雖然質量水平仍有待提高，但仍有晶圓供應商提供適合 90nm 工藝生產的8英寸和12英寸晶圓。

Wang 列舉道，中國至少有十多家晶圓供應商正在迅速崛起。它們包括奕斯偉（ESWIN）、杭州半導體晶圓有限公司（日本 Ferrotec 集團的一部分）、NSIG（國家硅工業集團，它是 Soitec、Okmetic、ZingSemi 和 Simgui 的投資者，后者又與 Soitec 合作生產 RF－SOI 晶圓等）、重慶先進硅技術有限公司（“AST”）和南京國盛電子有限公司等。

但中國真正推動的是化合物半導體業務。

碳化硅（SiC）晶圓用于電力市場。這是一個處于起步階段的市場，雖然今天沒有短缺，但短缺可能即將出現。碳化硅晶圓制造業的速度要慢得多，能耗更高，成本也遠高于硅。SiC 晶片（晶錠）通常需要數周時間才能在比硅高兩倍的熔爐中生長，每個晶塊只能生產約50個晶片／晶錠，產量損失在30％范圍內，成本是硅的20到50倍。

但由于 SiC 在解決電動汽車（EV）里程焦慮（以及其他與電力相關的挑戰）的芯片方面的前景，SiC 目前是競爭日益激烈的一個來源。

Halo Industries 的首席執行官引用了他最喜歡的 Canaccord Genuity 圖表，該公司擁有一種激光技術，可以更有效地將 SiC 晶錠切割成晶圓。它表明，2023年，需求與供應問題發生了沖突，并從那時一直螺旋上升到本世紀末。

這有助于解釋為什么 SiC 行業領導者 Wolfspeed 剛剛在紐約州北部開設了世界上最大的 SiC 工廠，并正在擴建其北卡羅來納材料工廠。

與此同時，SOI晶圓制造商Soitec正下大賭注，利用其智能切割技術，從SiC晶圓棒中獲得的晶圓數量將可能是目前的10倍。該公司宣布了一個新的碳化硅晶圓制造廠，預計將在2023年下半年產生第一筆收入。公司發言人表示：“我們提高了對未來的可見性，客戶要求通過長期協議確保我們的晶圓供應，期限比以前更長?！?/p>

Gartner 的 Wang 表示，中國至少有 15 家晶圓廠在研究 SiC，“他們認為他們可以超越美國?！?/p>

需要一個生態系統

整個芯片行業都存在嚴重的短缺，每個領域都感受到了這種短缺。許多公司正在囤積設備、材料，甚至制造的設備。

“我們對一些層壓基板的報價提前了52周?！盦P Technologies營銷銷售總監 Rosie Medina 說?！拔覀兛赡苄枰齻€月的時間，客戶正在耐心等待。一些公司甚至不接受陶瓷封裝訂單，即使是較舊的傳統陶瓷封裝。我們的 QFN 的引線框架還不錯，交期已經從 8 周到大約 16 周了。因為我們正在批量購買，而且我們看到的采購訂單提前了很多。但我們剛剛被告知，晶圓現在需要一年的交貨時間，所以我不得不回去跟客戶說，‘我需要更多的采購訂單保障才能獲得（晶圓）訂單，否則你們的晶圓就會售罄?！?/p>

同時，晶圓供應商們仍然保持保守和保密。他們不愿投資的歷史可以追溯到2009年市場崩盤前，當時他們為實現高增長的承諾進行了大量投資，結果卻陷入困境。

Techcet 的 Tracy 表示，直到今天，供應商仍在激烈斗爭，只是為了提醒業界，晶圓并不是一種商品。他們需要遵守多達1000個不同的參數，以滿足每個客戶的需求。

Vuorikari－Antikainen 說，SEMI 為整個供應鏈的討論提供了一個平臺。整個供應鏈在健康的生態系統中運作至關重要。關于短缺問題，現在是時候采取行動了。

結論

芯片行業只能寄希望于整個生態系統在閉門造車的情況下，最終能進行嚴肅而富有成效的談判。只有這樣，所有供應鏈參與者才能獲得共同盈利所需的可見性和信任。否則，芯片行業有可能陷入一場不斷加深的危機之中，而這場危機可能需要數年才能被解決。