晶圆厂成熟制程之争,前所未有的激烈

相较于3纳米/2纳米这样的先进制程,在成熟制程领域的看客似乎越来越多。

一方面是因为成熟制程市场种类百花齐放,有模拟芯片、功率半导体、MCU、射频芯片等等。再就是锁定这块市场的晶圆代工业者愈发多,随着台积电和三星开始反攻成熟制程,对于成熟制程晶圆厂商来说,挑战愈发大。最后还有在细分领域小而美的专业代工业者正在不断蓄力。成熟制程领域粥多僧多,竞争正处于前所未有的激烈。

一、先进制程玩家反攻成熟制程

过往,在摩尔定律的驱动下,晶圆厂一直在紧追先进工艺,这场决赛的最后仅剩台积电、三星和英特尔这几家。随着先进制程逐渐逼近极限,现在这些晶圆代工厂开始反攻成熟制程,他们开始纷纷大幅扩产成熟工艺,这是前所未有的现象。不过也表露出成熟制程的市场空间,以台积电为例,其传统节点(16nm及以上成熟制程)的份额占其2021年收入的50%。

台积电早在去年就放出要扩产成熟产能的信号。为了解决车用及工控等芯片产能短缺问题,台积电今年在高压及电源管理IC、MEMS微机电及CMOS影像传感器、嵌入式快闪存储器(eFlash)等特殊成熟制程领域大幅扩产,资本支出达到过去三年平均支出的3.5倍,今年特殊成熟制程产能会较去年增加14%,占整体成熟制程比重亦将提升到63%。台积电要扩产的成熟工艺工厂主要有3个:台积电高雄Fab 22厂区将兴建P1~P2厂,还有就是南科Fab 14厂区P8厂,这些都将用来支援特殊成熟制程。

三星在最近的年报中也披露今年将扩大成熟制程晶圆代工布局,主要是CIS所需的成熟制程产能,此举势必将瓜分联电、世界先进、格芯等主攻成熟制程的晶圆厂订单。三星也将继续推出通过改进成熟工艺、提高性能和成本竞争力的衍生工艺技术。三星还提到,中长期将扩大成熟制程产能,并且不排除盖新厂,但三星并未揭露投资金额、新产能规画等讯息。

此前三星与联电有紧密的合作关系,去年三星将28纳米的图像信号处理器(ISP)给联电代工,后双方又合作开发最先进的22纳米高压制程,联电将为三星代工OLED驱动芯片。如今三星宣示要强化成熟制程晶圆代工布局,意味未来也将成为联电的强大竞争对手,双方是既合作又竞争的关系。

在代工领域,英特尔长久以来都是只给自己代工,但是去年英特尔的IDM 2.0策略中,将晶圆代工业务重启。英特尔在今年公布了2022第一季的代工业务表现,从去年的1.03亿美元增至2.83亿美元,同比暴涨175%,虽然相比台积电、联电仍有较大差距,但已逐步逼近了力积电等厂商。根据英特尔对投资人公布的统计数据显示,主要来自思科、亚马逊等30多家客户的订单。这还不包括收购的Tower Semiconductor,若再完成合并高塔半导体,整体体量会更大,将逐步进逼力积电、联电等台厂。

晶圆厂的大幅扩产也反映到了设备市场,光刻机设备供应商ASML一季度卖出了62台光刻机,实现净销售额35亿欧元,净利润6.95亿欧元,新增订单金额70亿欧元,其中25亿欧元来自0.33 NA和0.55 NA EUV系统订单以及大量的DUV订单,这反映了市场对先进和成熟节点持续性的强劲需求。

二、成熟制程晶圆厂,更要打造出差异化

所有这些都在抢食主攻成熟制程晶圆厂商的蛋糕。在这样的背景下,这些晶圆厂更应该打造出差异化来。不过,他们在成熟制程的深耕也有自身优势,除了产能方面,还有价格优势等因素。

联电是全球第一家宣布放弃先进工艺研发的晶圆代工厂,从那时起,联电将战略重点放在改善公司的投资回报率上,主攻28nm及以上的制程。目前,联电对成熟产能的押注也是史无前例,尤其是28nm,并且甚至在22年来未扩产的新加坡地区扩建产能。

今年4月份,联电斥资48.58亿元将分3次收购厦门联芯所有股权,联芯集成为联电与厦门市政府及福建省电子信息集团合资成立的提供12英寸晶圆专工服务的晶圆厂。联电表示,当初与投资方签约时,即约定联芯成立7年后,将纳为持股100%子公司。联电财报表示,厦门联芯目前月产能2.75万片,今年将扩产至3.2万片,主要以28纳米以下制程为主。

成熟制程究竟有多抢手呢?前段时间因为面板驱动IC等消费领域的砍单潮,联电释放出产能松动的信号,接着国际车用芯片大厂英飞凌、恩智浦、德州仪器和Microchip纷纷来抢产能,并喊出有多少产能都收。这四家客户全球车用芯片市占总和超过三成,车用芯片多以成熟制程生产,联电在四大车用芯片大单挹注下,营运热转。

在技术层面,联电正透过旗下联颖布局第三代半导体,锁定6英寸氮化镓产品。并且与imec联合研发。联电透露,在6英寸氮化镓领域站稳脚步之后,也将展开碳化硅(SiC)布局,并朝8英寸晶圆发展。

同样放弃先进制程的是格芯,早在2018年,格芯就意识到,通过建造更清洁的洁净室和购买单位数的EUV光刻机等晶圆厂工具,它仍然可以满足70%的市场需求。相反,该公司将放弃追逐先进工艺而节省下来的资金,用于从现有工艺节点中开发更多功能。

今年初,格芯CEO Tom Caulfield在一份声明中表示,公司签署了更多长期合作协议,有30家客户承诺出资合计32亿美元以帮助公司扩产,以支持强劲的芯片需求。近日据日经亚洲的报道,格芯将在未来5到10 年内继续追求产能以满足需求,并决定在今年底之前,要选新加坡、纽约或德国加码投资扩产。

在技术创新层面,格芯与MRAM供应商Everspin合作开发了一种替代NVM技术——MRAM(磁性RAM)模块。将闪存扩展到了28nm以下,该MRAM模块可用于GF的12纳米FinFET和22纳米FDX平台。该公司还为相同的平台提供了RRAM(电阻RAM)NVM模块。

在模拟射频芯片领域,格芯已转向射频SOI和SiGe晶体管,以将晶体管单位增益频率(fTs)推向太赫兹。今年5月,格芯宣布了一个名为GF Connex的RF元平台,该平台包含该公司的RF SOI、FDX、SiGe 和 FinFET平台的元素。

再一个是硅光子芯片,硅光子学可能是改变数据中心游戏规则的技术,数据中心已经采用光互连实现服务器之间 200 Gbps 及以上的高速链路。目前该芯片的整体成本仍偏高,业界都在努力降低系统级成本。在这方面,格芯推出了SiPh平台,到今年3月已发布了其第二代GF Fotonix SiPh平台。该平台使格芯能够制造结合了光子发射器和检测器、硅光波导、射频组件和高性能CMOS逻辑的单片器件。格芯采用各向异性蚀刻在单片硅光子芯片中创建精确的V形槽,以简化直接、无源光纤对准和连接。

三、大陆晶圆厂小步快走

大陆晶圆代工因为无法向先进制程进击,所以也在加大力度投资成熟制程。中芯国际在成熟晶圆制程领域也占据很重要的一席,从2020年营收39亿美元,到2021年的54亿多美元,中芯国际如今已成为全球前四大晶圆代工厂中成长最快的公司。在成熟工艺方面,中芯国际主要布局了8个主要产品平台,其中,高压、驱动、微控制器,超低功耗逻辑和特殊存储器收入成长最快,其他平台虽然市场需求很强但受到产能限制。

中芯国际也加快了产能扩张的步伐,据中芯国际联合首席执行官赵海军在今年前两月的业绩沟通会上介绍,中芯国际的投产计划正在稳步推进,2022年初,上海临港新厂破土动工,北京和深圳两个项目稳步推进,预计2022年底前投入生产。上述三个新项目满产后,中芯国际的产能将实现倍增。中芯国际2022年的资本指出预计约为50亿美元,同比增长11%。

值得一提的是,中芯国际今年开年就保持了良好的增长势头,2022年前两月实现营收12.23亿美元,较去年同期跃增59.1%,净利更大增94.9%至约3.09亿美元。

华虹半导体是一家特色工艺纯晶圆代工企业,特别专注于嵌入式非易失性存储器、功率器件、模拟及电源管理和逻辑及射频等差异化工艺平台,其中嵌入式非易失性存储器仍是其营收的主要来源,主要包括智能卡芯片和MCU两大类芯片应用;功率器件IGBT也已连续7年保持高增长,作为全球第一条12英寸功率器件代工生产线,公司的功率器件产品在12英寸已通过IATF 16949汽车质量管理体系认证。除了这些平台之外,华虹半导体还加强了射频、标准式存储器、图像传感器等工艺平台的研发,并在2021年取得丰硕回报。

2022年,华虹半导体无锡12英寸产线将继续扩充,目前该厂的月投片量超6.5万片,全年产能利用率均维持在100%以上,扩充之后预计到今年底将产能释放至9万片/月。

另外一家大陆晶圆厂合肥晶合集成已经跃居全球第一季度前十名,第一季营收达4.4亿美元,季增26.0%。晶合集成专注于12英寸的晶圆代工服务,以生产0.1Xμm及90nm大尺寸驱动IC为主,同时具备DDIC、CIS、MCU、PMIC、Mini LED、E-Tag 等工艺平台晶圆代工的技术能力。晶合集成目前正募资95亿向更先进的成熟制程升级,其中31亿投资于“收购制造基地厂房及厂务设施”,24.5亿元用于“28纳米逻辑及OLED芯片工艺平台研发项目”,15亿元用于“40纳米逻辑芯片工艺平台研发项目”,这是晶合集成投资最高的三大募投项目。

《晶圆厂成熟制程之争,前所未有的激烈》

力积电主要进行先进存储、客制化逻辑IC电路与分离式元件的三大晶圆代工服务。并陆续发展晶圆堆栈(3D interchip)、新影像传感器、GaN功率元件、40nm显示器驱动芯片、90nm 电源管理等制程技术以及48nm NOR产品线。2021年力积电依计划扩大了8英寸、12英寸晶圆厂的产能,并顺利启动铜锣P5厂兴建计划,计划于今年建成,今年4月初P5厂两座12英寸晶圆厂举行了上梁典礼。

四、小而美的专业代工厂继续蓄力

在射频PA代工领域,稳懋就是一个不容小看的市场领导者,稳懋是全球最大的砷化镓晶圆代工龙头,砷化镓是制作功率放大器(PA)的重要材料,稳懋的市占率超过70%。而且在第三代半导体领域,稳懋十年前就与客户投入开发第三代半导体,目前在GaN on SiC已有稳定营收贡献,主要用于5G和卫星相关领域,占总营收的个位数。稳懋今年持续进行扩产,晶圆C厂和南科高雄园区路竹厂均为扩产之列。稳懋预估,今年资本支出在120亿元左右,由于新产能加入,折旧费用预计较2021年增加1成到2成。

在射频领域还有Tower Semiconductor,不过已经被英特尔收购,Tower Semiconductor专门为制造差异化产品提供定制模拟解决方案,提供尖端工艺技术,包括射频(RF)、高性能模拟(HPA)、集成电源管理、CMOS 图像传感器(CIS)、非成像传感器(NIS)和混合信号 CMOS,以及微机电系统(MEMS)功能。

X-Fab是一家专门从事模拟/混合信号应用的纯晶圆代工厂,主要提供从 1.0 µm到130 nm 的模块化 CMOS 和 SOI 工艺,以及特殊的MEMS和SiC工艺能力。尤为值得一提的是其SiC代工能力。第一季度X-Fab的SiC收入与去年同期相比几乎翻了一番,达到1210万美元。而且市场对X-Fab SiC技术的需求进一步加速,第一季度订单达到2140万美元,同比增长149%,环比增长26%。

X-FAB也正在扩大所有工厂的产能,第一季度X-Fab资本支出大幅增加至4880万美元,主要是2021年设备订单在2022年第一季度交付。全年资本支出预计约为2亿美元。

五、写在最后

对于成熟制程,有人认为明年产能将过剩,有人说前景不被看好,至于最终结果如何,没有准确答案,不如交给市场。但是有一点可以确认,随着晶圆厂不断加码扩产,成熟制程的战争将异常激烈。

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