全球晶圆短缺的应对之道

来源：半导体芯科技 Simon编译

近几年，全球晶圆供求失衡，200mm晶圆短缺会持续数年。晶圆生产的全球五大厂商——日本SEH、Sumco、德国Siltronic、台湾GlobalWafter和韩国SK Siltron，于去年投资了数十亿美元购建新的晶圆设备，它们占据了市场份额的90%，最新的晶圆工厂于2024年才能生产。如今，汽车雷达、家电MEMS、5G手机等这些里面大量使用200毫米晶圆制成的芯片，它们的产量小、制造复杂。然而晶圆制造不受摩尔定律的制约。

图1:硅片营收预测(2022年2月更新)。硅片收入在2021年增长了14.5%，最终达到了2007年的水平。来源:Techcet

由于当前300mm晶圆需求量大，相对产能紧张，晶圆价格上涨。Techcet市场研究总监Dan Tracy表示，2021年硅片出货量增长了14%。300mm晶圆出货量超过13%，200mm晶圆出货量超过了15%；2022年预计总出货量增长约6%。

图2:2022年2月的硅晶圆出货量预测。2021年硅片出货量增长14%，创下历史新高。2022年的增长率约为6%。来源:Techcet

整个硅片市场（包括SOI晶圆）的收入增长了14.5%，并在2022年再次增长10%，最高达到155亿美元。这是10多年来晶圆行业首次连续两年实现两位数增长。然而，这一增长主要是由于晶圆价格上涨，而非晶圆产量增加。2022年300毫米晶圆的需求约为每月7,200晶圆(wpm)。但直到2024年，即使以100%的速度运行，300毫米晶圆的总生产能力也将比需求少10%左右。因此，一些客户已获得分配，尤其是二线厂商。与此同时，在规模小、增速快基于碳化硅(SiC)晶圆的芯片，目前暂不短缺。但如果需求像预期的那样，晶圆短缺对他们来说也即将到来。

两家最大的晶圆供应商，日本SEH和Sumco，它们占据了超过50%的市场份额。下图，Sumco在其2021财年业绩报告中分享了300mm晶圆产能与需求预测。

图3:20 20年2月全球300mm晶圆产能及需求预测。即使加上新增的棕地和新地，未来几年客户需求仍将超过全球晶圆产能。来源:Sumco

300毫米晶圆的大量投资产能的活动正在进行，但即便如此，需求仍将继续超过供应，未来几年的供应仍可能出现短缺。300mm晶圆需求是多样化的。不仅仅是智能手机。它还包括数据中心、汽车、个人电脑、人工智能、工业产品、消费品等等。

图4:300mm晶圆的生长驱动。来源:Sumco

智能手机仍然是300mm晶圆的重要驱动因素，但随着行业转变，对更多数据中心和汽车芯片的需求也在增长。

全球第三晶圆供应商GlobalWafers，曾计划收购Siltronic。该交易原本计划在2022年1月完成，但由于政府批准未果，交易被迫搁浅。GlobalWafers表示，他们为收购Siltronic拨出的约50亿美元将用于产能扩张。同时，Siltronic正在全力运转，并继续推进其在新加坡新建的300毫米晶圆厂“FabNext”的20亿欧元投资。Siltronic德国弗莱堡工厂正在新建一个新的晶体生产车间，韩国SK Siltron也在300毫米晶圆制造领域投入巨资。2022年3月，该公司宣布在富美国家3d工业园区投资约12亿美元兴建晶圆厂。

300mm晶圆市场供不应求，或许在2024年稍有缓解。可是200mm晶圆会一直持续供不应求。SEMI总裁兼首席执行官Ajit Manocha表示:“晶圆制造商将在五年期间新增25条200毫米生产线，以帮助满足5G、汽车和物联网(IoT)设备等应用日益增长的需求，这些设备依赖于模拟、电源管理和显示驱动器集成威廉希尔官方网站 (ic)、mosfet、微控制器单元(mcu)和传感器等设备。”虽然，芬兰晶圆供应商Oketic已宣布扩大200mm晶圆产能，但仍然不足以满足市场所需。Oketic的客户将其晶圆用于智能手机、便携式设备、汽车电子、工业过程控制和医疗应用、物联网以及各种解决方案中的芯片，以提高电力使用和效率。SEMI报告显示，今年全球200毫米晶圆厂产能中，晶圆厂将占50%以上，模拟晶圆厂占19%，分立/功率晶圆厂占12%。从区域来看，中国将在2022年以21%的份额领先世界2亿立方米的产能，其次是日本，占16%，台湾和欧洲/中东各占15%。对于200毫米晶圆的短缺，Gartner研究、技术和服务提供商副总裁Samuel T. Wang总结道:“这还没有结束的迹象。”“中国可能是唯一的解决方案。”

目前，中国至少有十几家晶圆供应商迅速崛起，正在为其晶圆供应商制定积极的目标。虽然质量还有待提高，但已经有供应商提供适合90nm生产的200mm和300mm晶圆。它们包括ESWIN、杭州半导体晶圆有限公司（隶属于日本铁铁集团）、NSIG（国家硅产业集团，该集团是Soitec、oketic、ZingSemi和Simgui的投资者，后者与Soitec合作生产RF-SOI晶圆等）、重庆先进硅科技有限公司(“AST”)和南京国盛电子有限公司。

中国真正推动发展的是化合物半导体业务。碳化硅(SiC)晶圆被用于电力应用市场，当前可能出现了一定的供应短缺。碳化硅晶圆的制造比硅晶圆慢得多、能耗高得多、成本高得多。SiC晶圆(铸锭)通常需要数周时间在比硅晶圆热两倍的熔炉中生长，每晶圆只产生约50片晶圆，产量损失在30%范围内，成本是硅晶圆的20 - 50倍。但由于SiC芯片在解决电动汽车续航里程焦虑(以及其他与动力相关的挑战)方面的前景，SiC目前是竞争日益激烈的一个来源。为此，SiC领导者Wolfspeed刚刚在纽约州北部开设了世界上最大的碳化硅工厂，并正在扩大其北卡罗来纳州的材料工厂。同时，SOI晶圆制造商Soitec正积极研发Smart Cut技术，从SiC晶圆中获得比目前可能的晶圆数量多10倍的晶圆。它们最新的晶圆工厂预计在2023年下半年首产。

图5:所有应用领域的碳化硅晶圆需求。到2020年，SiC晶圆的需求将远远超过供应。来源:Canaccord Genuity

当整个芯片行业都出现了严重的短缺，每个领域都能感受到这种短缺。公司正在储备设备、材料，甚至是制造设备。只有芯片行业形成整个生态系统闭环之后，最终能够进行认真而富有成效的谈判。供应链上的所有参与者才能获得相互盈利所需的可见度和信任。否则，这个行业就有可能陷入一场不断加深的危机。

审核编辑：符乾江