近期，行業(yè)出現(xiàn)了一股熱潮，即越來越多的模擬芯片企業(yè)，特別是功率半導(dǎo)體廠商或業(yè)務(wù)部門，熱衷于興建12英寸晶圓產(chǎn)線。
本周，就有兩則相關(guān)消息很受關(guān)注。
????3月10日，東芝宣布，計(jì)劃引進(jìn)一條新的12英寸晶圓生產(chǎn)線。傳統(tǒng)上，該公司的功率半導(dǎo)體主要使用8英寸晶圓生產(chǎn)。而隨著采用12英寸晶圓生產(chǎn)模擬芯片成為全球趨勢(shì)，該公司似乎也在跟緊潮流。東芝表示，新廠建成后，可將功率半導(dǎo)體產(chǎn)能提高20%。
據(jù)悉，東芝引進(jìn)12英寸晶圓生產(chǎn)線的主要目標(biāo)是提高低壓MOSFET和IGBT的生產(chǎn)能力。根據(jù)規(guī)劃，新產(chǎn)線將于2023財(cái)年上半年投產(chǎn)，該公司表示，將根據(jù)市場趨勢(shì)，逐步確定后續(xù)投資計(jì)劃，并將繼續(xù)擴(kuò)大日本工廠的分立器件，特別是功率半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。
????同樣是在近期，歐洲大廠博世正在德國德累斯頓建設(shè)新的12英寸晶圓廠，投資額達(dá)到10億歐元。計(jì)劃今年下半年實(shí)現(xiàn)商用生產(chǎn)。其生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是用于汽車的功率半導(dǎo)體，如用于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的DC-DC轉(zhuǎn)換器等。
????2月，汽車功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)英飛凌宣布，為了緩解全球車用芯片產(chǎn)能不足的困境，將在奧地利新建12英寸晶圓廠，專門用于生產(chǎn)車用芯片，預(yù)計(jì)將于今年第三季度動(dòng)工。后續(xù)還計(jì)劃在德國也建一座與奧地利相同的新廠。
????同樣的情況也發(fā)生在中國，在大陸地區(qū)，聞泰旗下的安世半導(dǎo)體，以及士蘭微電子這兩家企業(yè)，是車用芯片和功率半導(dǎo)體的龍頭企業(yè)，他們都于近幾個(gè)月在新建12英寸晶圓廠方面有大動(dòng)作。
2020年12月，士蘭微電子位于廈門的12英寸芯片生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。該公司規(guī)劃建設(shè)兩條以功率半導(dǎo)體、MEMS傳感器芯片為主要產(chǎn)品的12英寸特色工藝產(chǎn)線，本次投產(chǎn)的就是其中的一期項(xiàng)目。
近期，安世半導(dǎo)體宣布在上海臨港投資120億元新建一座12英寸晶圓廠，將于2022年開始運(yùn)營，年產(chǎn)能大約是40萬片，主產(chǎn)功率半導(dǎo)體。
綜上可見，近一年時(shí)間內(nèi)，全球半導(dǎo)體熱點(diǎn)地區(qū)的廠商，特別是模擬芯片IDM，都在新建以功率半導(dǎo)體為主要產(chǎn)品的12英寸晶圓廠，特別是從2020年底出現(xiàn)車用芯片荒之后，這樣的建廠動(dòng)作指向性就顯得更加明確，即主攻以車用芯片為重點(diǎn)的功率半導(dǎo)體。
?????實(shí)際上，這這些廠商動(dòng)作之前，全球排名前兩位的模擬芯片大廠德州儀器（TI）和ADI就已經(jīng)開展了類似的建廠計(jì)劃，其中包括但不限于功率半導(dǎo)體。在逐步關(guān)閉老舊的6英寸、8英寸晶圓廠的同時(shí)，將興建12英寸新廠作為發(fā)展重點(diǎn)。
因此，全球8英寸功率半導(dǎo)體廠有向12英寸轉(zhuǎn)型之勢(shì)，再加上早就在向12英寸晶圓轉(zhuǎn)移的邏輯和存儲(chǔ)芯片，數(shù)字和模擬芯片向更高生產(chǎn)效率邁進(jìn)的腳步愈加一致。
????據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2020年，全球用于12英寸晶圓廠的投資額有望同比增長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)程將加速，這樣，2021年在12英寸晶圓廠上的投資將再創(chuàng)新高，預(yù)計(jì)同比增長4%，之后的2022 年稍微放緩后，2023年將再創(chuàng)新高，達(dá)到700億美元的規(guī)模。
涉及到具體的芯片產(chǎn)品，12英寸晶圓廠最大資本支出依然會(huì)用在存儲(chǔ)芯片（DRAM和3D NAND）上，預(yù)計(jì)2020到2023年的實(shí)際和預(yù)測(cè)投資額每年都將以高個(gè)位數(shù)穩(wěn)健增長，2024年幅度有望進(jìn)一步擴(kuò)大到10%。另外，用于邏輯芯片/MPU和MCU的投資在2021到2023年也將穩(wěn)步提高。
特別值得關(guān)注的是功率器件，用在該類產(chǎn)品的投資增長幅度在2021年有望超過200%，而2022和2023年也將保持兩位數(shù)的增長率。這樣的增長勢(shì)頭與上文提到的各家廠商“扎堆”新建功率半導(dǎo)體12英寸晶圓廠的現(xiàn)象十分契合。

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轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力

以功率半導(dǎo)體為代表的模擬芯片產(chǎn)線，之所以從8英寸向12英寸晶圓轉(zhuǎn)移，主要原因有二：一是12英寸晶圓具有更高的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益；二是當(dāng)下以車用芯片為代表的相關(guān)產(chǎn)能嚴(yán)重不足，促使向12英寸晶圓轉(zhuǎn)移。

經(jīng)濟(jì)效益
晶圓尺寸越大，可利用效率越高。12英寸晶圓擁有較大的晶方使用面積，得以達(dá)到效率最佳化，相對(duì)于8英寸晶圓而言，12英寸的可使用面積超過兩倍。
????由于晶圓尺寸越大，成本效率越高，特別是在當(dāng)下行業(yè)對(duì)產(chǎn)能要求大量增加的情況下，12英寸晶圓的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，相關(guān)的轉(zhuǎn)型案例也越來越多。
???對(duì)于傳統(tǒng)IDM來說，8英寸產(chǎn)線的投入產(chǎn)出比顯得越來越低，大規(guī)模運(yùn)營這些產(chǎn)線的積極性已經(jīng)不高了，除了保留一部分必需的8英寸產(chǎn)線外，像TI和ADI這樣的老牌兒模擬芯片巨頭，可以將越來越多的8英寸晶圓加工任務(wù)外包給晶圓代工廠，而它們自己主攻12英寸產(chǎn)線。
在模擬芯片市場，像TI、ADI、Maxim這樣的廠商，都有著高于行業(yè)平均水平的毛利率。以TI為例，在過去10年內(nèi)，其利潤和利潤率保持上升態(tài)勢(shì)。按照TI的說法，創(chuàng)造高利潤率與他們用12英寸晶圓廠生產(chǎn)模擬芯片、降低成本有關(guān)。
????近些年，TI一直在穩(wěn)步提升其12英寸晶圓模擬芯片的產(chǎn)量，以削減成本并提高生產(chǎn)效率。TI表示，12英寸晶圓廠的產(chǎn)量比競爭對(duì)手使用的8英寸工藝生產(chǎn)的芯片便宜40％。此外，對(duì)于模擬用途，12英寸晶圓廠的投資回報(bào)率可能更高，因?yàn)樗梢允褂?0到30年。
TI擁有兩個(gè)12英寸晶圓廠，2018年，其12英寸晶圓模擬芯片產(chǎn)量占其整體模擬芯片產(chǎn)量的50％左右。考慮到5G，IoT、汽車和云計(jì)算等應(yīng)用的成熟和大規(guī)模擴(kuò)展，會(huì)推動(dòng)相關(guān)模擬芯片需求的增長，因此，該公司有充分的理由進(jìn)行12英寸晶圓廠擴(kuò)展，以保持并進(jìn)一步提升其高利潤率。

產(chǎn)能不足
當(dāng)下，芯片產(chǎn)能不足已成為全球性難題，尤以車用芯片為最，其中，功率半導(dǎo)體更是供不應(yīng)求。
在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，功率半導(dǎo)體器件都是采用8英寸晶圓生產(chǎn)的。隨著市場對(duì)功率器件的需求不斷提升，而這也給了8英寸晶圓更多的商業(yè)機(jī)遇。
汽車和工業(yè)應(yīng)用是功率器件增長的主要驅(qū)動(dòng)力。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，在全球半導(dǎo)體市場中，工業(yè)應(yīng)用和汽車電子的增速最快，而工業(yè)應(yīng)用和汽車電子的應(yīng)用增量主要來自于功率半導(dǎo)體。
據(jù)IC insights預(yù)計(jì)，在功率半導(dǎo)體年出貨量方面，2016~2021的年復(fù)合增長率為5.2%。受益于汽車和工業(yè)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)未來3年功率分立器件市場仍將保持5%左右的增速。
SEMI的數(shù)據(jù)顯示，功率分立器件約占8英寸晶圓應(yīng)用的16%。由于8英寸晶圓設(shè)備短缺，全球8英寸晶圓產(chǎn)能增長率僅為1~2%， 低于功率半導(dǎo)體和功率分立器件的增速。因此，汽車電子和工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率半導(dǎo)體需求大于供給導(dǎo)致功率半導(dǎo)體漲價(jià)，而功率半導(dǎo)體對(duì)8英寸晶圓產(chǎn)能需求大于供給。這是各大廠商向12英寸晶圓轉(zhuǎn)移的一個(gè)重要原因。
8英寸產(chǎn)能緊張程度延續(xù)到了2021上半年，除非有廠商愿意從8英寸轉(zhuǎn)至12英寸晶圓生產(chǎn)，只有這樣才能在短時(shí)間內(nèi)緩和8英寸產(chǎn)能的緊張情況。目前看來，以晶粒較大的指紋辨識(shí)IC和功率器件等產(chǎn)品轉(zhuǎn)到12英寸生產(chǎn)的可行性較高。
指紋辨識(shí)IC廠商神盾證實(shí)，該公司確實(shí)從一、兩年前就著手規(guī)劃從8英寸轉(zhuǎn)至12英寸晶圓生產(chǎn)，預(yù)計(jì)今年下半年流片，明年將會(huì)大量轉(zhuǎn)換。除了成本之外，產(chǎn)能是神盾此舉更重要的考量因素。
而在功率半導(dǎo)體方面，如前文所述，多家IDM企業(yè)都在新建12英寸晶圓廠。
功率半導(dǎo)體對(duì)晶圓的消耗量巨大，一般情況下，一片8英寸晶圓僅能切割70~80顆IGBT芯片。目前，電動(dòng)車處于滲透率快速提升階段，汽車半導(dǎo)體用量需求的成長空間很大，這些將帶動(dòng)硅晶圓產(chǎn)業(yè)進(jìn)入長期、持續(xù)的供需緊張狀態(tài)。
例如在純電動(dòng)車方面，一輛tesla model x汽車需要使用84顆IGBT，這樣算來，基本上一輛車就要消耗掉一片晶圓?；旌蟿?dòng)力汽車的功率半導(dǎo)體用量相對(duì)較少，以寶馬i3為例，單輛汽車的功率半導(dǎo)體硅晶圓消耗量約為1/4片。
預(yù)計(jì)到2022年，全球電動(dòng)車銷量有望突破1000萬輛，以平均每輛車消耗1/2片硅晶圓計(jì)算，對(duì)應(yīng)功率半導(dǎo)體硅晶圓消耗量將達(dá)到500萬片左右。
近一年來，MOSFET、TVS、肖特基二極管等功率器件產(chǎn)品的交期普遍延長，行業(yè)呈現(xiàn)出明顯的供不應(yīng)求態(tài)勢(shì)，這其中，來自汽車用的功率器件是重要組成部分。
與此同時(shí)，英飛凌等國際大廠均優(yōu)先將產(chǎn)能分配給了毛利率較高的新產(chǎn)品，如汽車和工業(yè)用器件，退出了中低壓MOSFET，這就導(dǎo)致MOSFET供需缺口擴(kuò)大。去年，英飛凌、意法半導(dǎo)體等大廠的MOSFET產(chǎn)能就被預(yù)訂一空，ODM/OEM及系統(tǒng)廠只能大舉轉(zhuǎn)單中國臺(tái)灣MOSFET廠，包括富鼎、大中、尼克森、杰力第三季接單全滿，漲價(jià)5%～10％后的產(chǎn)能已全數(shù)賣光。
一般情況下，MOSFET、整流管和晶閘管的交貨周期在8~12周左右，但現(xiàn)在部分MOSFET、整流管和晶閘管交期已延長到20~40周，而低壓MOSFET交期接近或超過40周，其中，汽車功率器件的貨期問題尤為顯著，IGBT的交期最高已經(jīng)達(dá)到52周。
在這種狀況下，要提升產(chǎn)能，將8英寸產(chǎn)線轉(zhuǎn)為12英寸，以提升生產(chǎn)效率和芯片絕對(duì)數(shù)量，就成為了各大模擬芯片，特別是功率器件廠商的共同選擇。

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當(dāng)下，美國、歐洲，以及中國大陸的功率半導(dǎo)體、車用芯片廠商，很多都在新建12英寸晶圓廠，而8英寸向12英寸晶圓產(chǎn)線轉(zhuǎn)移已經(jīng)持續(xù)多年，當(dāng)下的全球性芯片缺貨在很大程度上加速了這一趨勢(shì)轉(zhuǎn)換。這種情況下，今后兩年內(nèi)，不知道是否能解決8英寸晶圓廠產(chǎn)能不足的問題，結(jié)果值得期待。

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