在2021年11月,IPC发布了一个标题为“评估北美先进封装生态系统的差距:对关键系统、能力、生产能力的分析与建议”的行业报告。这个报告由IPC的首席技术专家Matt Kelly和TechSearch International公司的总裁 Jan Vardaman发布,详细介绍了目前先进封装的技术与基础设施的状况,以及后续可能需要的技术与基础设施。

本文从这个报告中节选了一些关于半导体制造问题的描述,包括经济问题和技术问题,这些问题涉及制造各种成品封装,用这些成品封装来组装印刷电路的子组件。

半导体晶圆制造厂和代工厂的全球分布情况

芯片工厂一周运行7天,每天运转24小时。他们之所以这么做,原因只有一个:成本。建立一座每月生产5万片晶圆的入门级工厂大约需要150亿美元的成本。这些钱的大部分用于专业设备——2020年,芯片市场的销售额首次超过600亿美元。英特尔、三星和台积电( TSMC)这三家公司占工厂投资中的大部分。他们的工厂更加先进,每建成一座工厂,成本都超过200亿美元。在2021年,台积电在新工厂和设备上的投入高达280亿美元。相比之下,美国政府试图通过一项支持在美国本土芯片生产的法案。这个法案将在五年内提供500亿美元,其中,只有三分之二的资金用于促进短期芯片生产。

一旦你把所有的钱都花在建造大型设施上,这些设施在五年或更短的时间内就会过时。为了避免亏损,芯片制造商必须从每家工厂获得30亿美元的利润。但现在只有最大的几家公司,尤其是去年营收总额达到1880亿美元的前三家公司,才有能力建设更多的工厂。

能够建立多个批量制造的工厂的能力很重要;一家公司制造的产品越多,他们就会做得越好。成品率——没有被丢弃的芯片的百分比——是关键的衡量标准。任何低于90%的成品率都是有问题的。但芯片制造商只有通过反复吸取昂贵的教训,在此基础上不断提高对芯片制造的认识,才能超越这个90%成品率的水平线。

这个行业的经济状况是如此残酷,这就意味着只有很少的几家公司能够在这个行业中维持下去。全球每年的智能手机处理器出货量大约是140亿个,其中大部分都是由台积电生产的。英特尔占有80%的电脑处理器市场。

三星在存储芯片领域占据主导地位。对于其他人,包括中国许多有抱负的新公司,要想打入存储芯片领域并非易事。(来源:彭博社)

•许多北美的晶圆厂(台积电,英特尔,三星)已经扩大在2024年的代工能力——无晶圆工厂模式

•应当指出的是,每一家代工厂都有重要的先进封装开发

•无晶圆工厂模式的发展和成功(高通、博通、英伟达、联发科、AMD、苹果)

向Chiplets迁移

芯粒将成为未来十至二十年电子产品市场的关键推动者。由于单芯片集成电路高企的成本,不可能再次实现过去曾经有过的那种经济优势。不断上升的制造成本包括:诸如掩模组之类的前期费用和每个芯片的成本,越来越复杂的先进工艺设计规则,以及为满足对计算能力无止境的要求而带来的架构挑战。作为对这些情况的回应,一种趋势是将系统级芯片(SoCs)分解成多个比较小的芯粒(图3-5)。

图1:全球晶圆制造设备市场中,2020年对芯片制造使用的重型设备的投资是2015年的两倍

图2:在2020年,在芯片制造行业营收排名前15位的公司中,英特尔、三星和台积电这三家公司的营收大约是排在后面的12家公司营收的总和

半导体工艺

7纳米工艺已经量产,一些最新的处理器也已经引进了5纳米工艺。这个行业正在引进3纳米工艺。三星已经提供了其3纳米工艺开发计划的一些细节。台积电正在采用5纳米半导体技术进行生产,为苹果的iPhone提供应用处理器。台积电正在着手研发3纳米工艺和2纳米工艺。IBM宣布开发基于全环绕栅极晶体管(gate-all-around FET)的2纳米芯片。英特尔表示,该公司正在研发先进工艺,并宣布在2021年推出Intel 7,在2022年下半年推出Intel 4,在2023年下半年推出Intel 3的计划。英特尔将在2024年开发使用全环绕栅极晶体管的Intel 20A,紧接着是Intel 18A。3纳米半导体工艺预计在2022年年中开始生产,2纳米工艺预计在2023-24年开始生产。只有少数几家公司能够负担得起开发这些先进工艺的费用,而具备制造这些先进工艺能力的公司就更少了。表1和表2说明主要晶圆工厂和代工厂,以及它们提供的技术工艺。

半导体器件的短缺

各种半导体元器件的短缺正在影响汽车、家电、个人电脑、智能手机和服务器的出货量。COVID-19疫情的各种限制措施造成供应链中断,导致芯片制造工厂关闭或生产放缓,而市场对电子产品的需求却在持续上升。IDC的报告称,包括台式电脑、笔记本电脑和工作站在内的传统个人电脑(PC)出货量在第二季度达到8360万台,与去年第二季度相比增长了13.2%。针对游戏市场的笔记本电脑的需求仍保持强劲的势头。

IDC报告称,全球服务器的需求量仍然很大,但元件和CPU的短缺可能会阻碍发货。TrendForce预计全球的服务器出货量今年会有所增长。

分析师预计,最严重的半导体器件短缺将在2022年结束,不过UMC和英特尔认为,这种情况要持续到2023年。汽车行业使用的半导体器件正在和消费产品、工业产品使用的模拟IC、电源管理IC、微控制器和传感器竞争。这些器件中的许多器件都是在200毫米晶圆上制作的,产能仍然不足。SEMI的报告称,制造200毫米晶圆的工厂将从2019年的197个增加到2022年的215个。

同期,制造300毫米晶圆工厂的数量将从121个增加到151个。其中有10家新建的制造300毫米晶圆工厂在2021年开始运营,还有14家将在2022年开始运营。业内专家普遍认为,虽然重复预订是造成短缺的部分原因,但贸易摩擦所带来的影响更大。在过去的两个季度里,主要的无晶圆厂公司已经将他们的传统设计从位于中国的晶圆厂中转移出来。

•各家公司继续超额订购,例如苹果、特斯拉已经开始订购下一代4/5纳米工艺

•持续的半导体器件短缺是由一系列因素造成的,这些因素包括产能不足和高于预期的强劲需求,凸显供应链的脆弱性

•一些芯片客户正在用提前付款的办法来确保供应

•汽车电子化(EV)导致芯片短缺3

硅晶片的短缺

人们越来越关注晶片供应的限制。TECHCET的报告称,2022年,300毫米主要晶片需求的利用率高于99%。外延产能也在99%的范围内。在未来的两年里,全球的300毫米晶片产能必须扩大6%甚至更高,才能避免出现晶片短缺,无法满足目前预测的300毫米晶片出货量。有几家公司已经宣布了他们的投资计划。MEMC电子材料公司是台湾GlobalWafers公司的子公司,MEMC将对其位于美国密苏里州的工厂投资2.1亿美元以生产300毫米的晶圆。SK Siltron预计最早在今年扩大晶片生产。这是SK集团在2017年收购LG集团的Siltron公司和扩大它的Gumi工厂之后,时隔四年再次扩大工厂的规模。在生产300毫米晶片领域,世界排名前两位的Shinetsu公司和Sumco公司已经宣布它们扩建工厂的计划。

台湾的半导体技术继续占据主导地位

•台积电的晶圆工厂是全球最先进的晶圆工厂。英特尔使用台积电的高级工艺

•台积电将在未来几年内继续进行大量投资(1000亿美元)以扩大产能

•台湾仍然是IC晶圆产能最大的生产基地

•台积电生产全球50%到55%的半导体器件,提供先进的工艺,这些工艺支持从最新的智能手机型号到数据中心与人工智能应用中使用的图形处理单元

先进工艺来自亚洲;北美的半导体供应商正在奋起直追

•北美的晶圆工艺有些滞后,主要是28纳米、10纳米和7纳米

•总部设在北美的晶圆工厂在先进工艺方面落在后面

•北美的工艺范围:10-28纳米,主要工艺是5-7纳米,最先进的工艺是2-3纳米

•台积电和三星在生产中使用的最先进的工艺从7纳米到5纳米,在2022年使用3纳米工艺。全球晶圆代工厂采用28纳米工艺,英特尔使用10纳米工艺,并计划采用7纳米工艺。IBM目前正在研制、按比例增加最小2纳米工艺。

全球排名前15位的半导体公司的关注点

•硅晶圆厂和公司格局仍处于巨变的过程中

•例子:在3月23日的消息中,英特尔的首席执行官Pat Gelsinger表示,英特尔将向位于美国亚利桑那州的两座新建的芯片代工厂投资200亿美元,消息中说的芯片是由一个被称为“英特尔代工服务”(Intel Foundry Services-IFS)的独立部门制造的首批元件。现在这个IFS代工厂可以为任何公司的各种架构制造芯片”5-6。

•这座IFS代工厂以近26亿美元的季度销售额进入前15位半导体供应商名单

•前15家半导体供应商名单中,有8家供应商的总部在美国;台湾、韩国和欧洲各有两个;一个在日本

•除了在这个报告中列出的代工厂之外,英特尔和三星还有更多的晶圆厂进行各种内部系统的设计

、•在这15家公司中,有14家的单季度营收高于30亿美元

•在前15名公司的名单中,有两家新上榜的公司:联发科(取代了海思)和AMD(取代了索尼)

•海思是华为公司的半导体设计部门(之所以会被联发科取代是受关税、制裁的影响)

•增长率最高的是无晶圆工厂的芯片设计公司(AMD,联发科技,高通,英伟达)

北美的优势体现在硅和系统设计上

在半导体行业中,许多顶级半导体公司的营收来源都是芯片设计。这些公司拥有设计方面的专业知识,通过代工厂为他们制造芯片。通过这种模式,他们能够保持很高的毛利率。

北美半导体晶圆工厂和代工厂的现状

•美国的政策制定者把半导体行业视为具有重要战略意义的行业,因为它为其他行业中先进的国防、通信、大数据和人工智能提供最基础的赋能技术

•北美已具备非常强大的半导体研发能力与生产能力

•无晶圆工厂模式:在16家半导体公司中,有6家公司(占比为40%)没有晶圆工厂,英特尔、台积电和三星在美国亚利桑那州进行的最新投资都是代工厂,可以满足北美芯片设计公司的需求

•英特尔现有的晶圆工厂也将在2024年提供代工服务

• Global Foundries(GF)虽然有工厂,但没有先进的工艺(28纳米)

•台积电和三星计划2024年在美国建立5纳米和3纳米的代工厂

美国西海岸无晶圆工厂(Febless)模式的生态体系

台积电、三星和英特尔计划在2024年为总部设在美国硅谷的苹果公司、英伟达公司和博通(Broadcom)公司,以及总部设在美国圣地亚哥的高通公司(Qualcomm)这些顶级芯片设计公司提供新的代工服务。他们在晶圆代工厂的位置选择上首先要能够满足硅谷和南加州无晶片工厂的芯片制造商的服务要求。

美国政府为提高本土的半导体产能已经做了大量的投资:

•英特尔、台积电和三星(排名前三位的公司)都在2024年建立代工厂,以满足芯片设计公司的需求

•台积电:已经在亚利桑那州建立5纳米工艺的晶圆工厂,可能还要在美国追加建设五座晶圆工厂。正式公布的投资额已经达到120亿美元

•英特尔:投资200亿美元,在亚利桑那州新建两座工厂

•三星:在美国德克萨斯州奥斯汀投资170亿美元建设5纳米工艺晶圆厂。

•注:台积电担心北美的能力、产量,因为这可能会使进度放缓并导致价格上升7

参考文献

1. S. Moore, “How and When the Chip Shortage Will End, in 4 Charts,” IEEE Spectrum, June 29, 2021.

2. C. Dieseldorff, “Semiconductor Manufacturing Trends and Forecasts,” Virtual SEMI Market Symposium, July 14, 2021.

3. IEEE Spectrum, “How and when the chip shortage will end, in 4 charts”, June 2021.

4. F. Kim, “SK Siltron to Expand Wafer Production Lines,” businesskoreaco.kr, July 2, 2021.

5. Bloomberg, “TSMC to Spend $100 Billion Over Three Years to Grow Capacity”, March 2021.

6. IBM, “IBM Unveils World’s First 2 Nanometer Chip Technology, Opening a New Frontier for Semiconductors”, May 6, 2021. https://ibm.co/3bTNYnN

7. Forbes, “Intel’s Possible Rationale For Buying GlobalFoundries, Inc.,” July 20, 2021.