在2021年11月，IPC發(fā)布了一個標題為“評估北美先進封裝生態(tài)系統(tǒng)的差距：對關(guān)鍵系統(tǒng)、能力、生產(chǎn)能力的分析與建議”的行業(yè)報告。這個報告由IPC的首席技術(shù)專家Matt Kelly和TechSearch International公司的總裁 Jan Vardaman發(fā)布，詳細介紹了目前先進封裝的技術(shù)與基礎設施的狀況，以及后續(xù)可能需要的技術(shù)與基礎設施。

本文從這個報告中節(jié)選了一些關(guān)于半導體制造問題的描述，包括經(jīng)濟問題和技術(shù)問題，這些問題涉及制造各種成品封裝，用這些成品封裝來組裝印刷電路的子組件。

半導體晶圓制造廠和代工廠的全球分布情況

芯片工廠一周運行7天，每天運轉(zhuǎn)24小時。他們之所以這么做，原因只有一個：成本。

建立一座每月生產(chǎn)5萬片晶圓的入門級工廠大約需要150億美元的成本。這些錢的大部分用于專業(yè)設備——2020年，芯片市場的銷售額首次超過600億美元。

英特爾、三星和臺積電（ TSMC）這三家公司占工廠投資中的大部分。他們的工廠更加先進，每建成一座工廠，成本都超過200億美元。

在2021年，臺積電在新工廠和設備上的投入高達280億美元。相比之下，美國政府試圖通過一項支持在美國本土芯片生產(chǎn)的法案。

這個法案將在五年內(nèi)提供500億美元，其中，只有三分之二的資金用于促進短期芯片生產(chǎn)。

一旦你把所有的錢都花在建造大型設施上，這些設施在五年或更短的時間內(nèi)就會過時。為了避免虧損，芯片制造商必須從每家工廠獲得30億美元的利潤。

但現(xiàn)在只有最大的幾家公司，尤其是去年營收總額達到1880億美元的前三家公司，才有能力建設更多的工廠。

能夠建立多個批量制造的工廠的能力很重要；一家公司制造的產(chǎn)品越多，他們就會做得越好。成品率——沒有被丟棄的芯片的百分比——是關(guān)鍵的衡量標準。

任何低于90%的成品率都是有問題的。但芯片制造商只有通過反復吸取昂貴的教訓，在此基礎上不斷提高對芯片制造的認識，才能超越這個90%成品率的水平線。

這個行業(yè)的經(jīng)濟狀況是如此殘酷，這就意味著只有很少的幾家公司能夠在這個行業(yè)中維持下去。全球每年的智能手機處理器出貨量大約是140億個，其中大部分都是由臺積電生產(chǎn)的。英特爾占有80%的電腦處理器市場。

三星在存儲芯片領(lǐng)域占據(jù)主導地位。對于其他人，包括中國許多有抱負的新公司，要想打入存儲芯片領(lǐng)域并非易事。

?許多北美的晶圓廠（臺積電，英特爾，三星）已經(jīng)擴大在2024年的代工能力——無晶圓工廠模式

?應當指出的是，每一家代工廠都有重要的先進封裝開發(fā)

?無晶圓工廠模式的發(fā)展和成功（高通、博通、英偉達、聯(lián)發(fā)科、AMD、蘋果）

向Chiplets遷移

芯粒將成為未來十至二十年電子產(chǎn)品市場的關(guān)鍵推動者。由于單芯片集成電路高企的成本，不可能再次實現(xiàn)過去曾經(jīng)有過的那種經(jīng)濟優(yōu)勢。

不斷上升的制造成本包括：諸如掩模組之類的前期費用和每個芯片的成本，越來越復雜的先進工藝設計規(guī)則，以及為滿足對計算能力無止境的要求而帶來的架構(gòu)挑戰(zhàn)。

作為對這些情況的回應，一種趨勢是將系統(tǒng)級芯片（SoCs）分解成多個比較小的芯粒。

全球晶圓制造設備市場中，2020年對芯片制造使用的重型設備的投資是2015年的兩倍（數(shù)據(jù)來源：SEMI）

在2020年，在芯片制造行業(yè)營收排名前15位的公司中，英特爾、三星和臺積電這三家公司的營收大約是排在后面的12家公司營收的總和

半導體工藝

7納米工藝已經(jīng)量產(chǎn)，一些最新的處理器也已經(jīng)引進了5納米工藝。這個行業(yè)正在引進3納米工藝。三星已經(jīng)提供了其3納米工藝開發(fā)計劃的一些細節(jié)。

臺積電正在采用5納米半導體技術(shù)進行生產(chǎn)，為蘋果的iPhone提供應用處理器。臺積電正在著手研發(fā)3納米工藝和2納米工藝。IBM宣布開發(fā)基于全環(huán)繞柵極晶體管（gate-all-around FET）的2納米芯片。

英特爾表示，該公司正在研發(fā)先進工藝，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的計劃。

英特爾將在2024年開發(fā)使用全環(huán)繞柵極晶體管的Intel 20A，緊接著是Intel 18A。3納米半導體工藝預計在2022年年中開始生產(chǎn)，2納米工藝預計在2023-24年開始生產(chǎn)。

只有少數(shù)幾家公司能夠負擔得起開發(fā)這些先進工藝的費用，而具備制造這些先進工藝能力的公司就更少了。表1說明主要晶圓工廠和代工廠，以及它們提供的技術(shù)工藝。

表1：物流運輸時間對需求和生產(chǎn)的支持

半導體器件的短缺

各種半導體元器件的短缺正在影響汽車、家電、個人電腦、智能手機和服務器的出貨量。COVID-19疫情的各種限制措施造成供應鏈中斷，導致芯片制造工廠關(guān)閉或生產(chǎn)放緩，而市場對電子產(chǎn)品的需求卻在持續(xù)上升。

IDC的報告稱，包括臺式電腦、筆記本電腦和工作站在內(nèi)的傳統(tǒng)個人電腦（PC）出貨量在第二季度達到8360萬臺，與去年第二季度相比增長了13.2%。針對游戲市場的筆記本電腦的需求仍保持強勁的勢頭。

IDC報告稱，全球服務器的需求量仍然很大，但元件和CPU的短缺可能會阻礙發(fā)貨。TrendForce預計全球的服務器出貨量今年會有所增長。

分析師預計，最嚴重的半導體器件短缺將在2022年結(jié)束，不過UMC和英特爾認為，這種情況要持續(xù)到2023年。汽車行業(yè)使用的半導體器件正在和消費產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品使用的模擬IC、電源管理IC、微控制器和傳感器競爭。這些器件中的許多器件都是在200毫米晶圓上制作的，產(chǎn)能仍然不足。SEMI的報告稱，制造200毫米晶圓的工廠將從2019年的197個增加到2022年的215個。

同期，制造300毫米晶圓工廠的數(shù)量將從121個增加到151個。其中有10家新建的制造300毫米晶圓工廠在2021年開始運營，還有14家將在2022年開始運營。

業(yè)內(nèi)專家普遍認為，雖然重復預訂是造成短缺的部分原因，但貿(mào)易摩擦所帶來的影響更大。在過去的兩個季度里，主要的無晶圓廠公司已經(jīng)將他們的傳統(tǒng)設計從位于中國的晶圓廠中轉(zhuǎn)移出來。

?各家公司繼續(xù)超額訂購，例如蘋果、特斯拉已經(jīng)開始訂購下一代4/5納米工藝。

?持續(xù)的半導體器件短缺是由一系列因素造成的，這些因素包括產(chǎn)能不足和高于預期的強勁需求，凸顯供應鏈的脆弱性。

?一些芯片客戶正在用提前付款的辦法來確保供應。

?汽車電子化（EV）導致芯片短缺。

硅晶片的短缺

人們越來越關(guān)注晶片供應的限制。TECHCET的報告稱，2022年，300毫米主要晶片需求的利用率高于99%。外延產(chǎn)能也在99%的范圍內(nèi)。

在未來的兩年里，全球的300毫米晶片產(chǎn)能必須擴大6%甚至更高，才能避免出現(xiàn)晶片短缺，無法滿足目前預測的300毫米晶片出貨量。

有幾家公司已經(jīng)宣布了他們的投資計劃。MEMC電子材料公司是臺灣GlobalWafers公司的子公司，MEMC將對其位于美國密蘇里州的工廠投資2.1億美元以生產(chǎn)300毫米的晶圓。

SK Siltron預計最早在今年擴大晶片生產(chǎn)。這是SK集團在2017年收購LG集團的Siltron公司和擴大它的Gumi工廠之后，時隔四年再次擴大工廠的規(guī)模。在生產(chǎn)300毫米晶片領(lǐng)域，世界排名前兩位的Shinetsu公司和Sumco公司已經(jīng)宣布它們擴建工廠的計劃。

臺灣的半導體技術(shù)繼續(xù)占據(jù)主導地位

?臺積電的晶圓工廠是全球最先進的晶圓工廠。英特爾使用臺積電的高級工藝。

?臺積電將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)進行大量投資（1000億美元）以擴大產(chǎn)能。

?臺灣仍然是IC晶圓產(chǎn)能最大的生產(chǎn)基地。

?臺積電生產(chǎn)全球50%到55%的半導體器件，提供先進的工藝，這些工藝支持從最新的智能手機型號到數(shù)據(jù)中心與人工智能應用中使用的圖形處理單元。

先進工藝來自亞洲；北美的半導體供應商正在奮起直追

?北美的晶圓工藝有些滯后，主要是28納米、10納米和7納米。

?總部設在北美的晶圓工廠在先進工藝方面落在后面。

?北美的工藝范圍：10-28納米，主要工藝是5-7納米，最先進的工藝是2-3納米。

?臺積電和三星在生產(chǎn)中使用的最先進的工藝從7納米到5納米，在2022年使用3納米工藝。全球晶圓代工廠采用28納米工藝，英特爾使用10納米工藝，并計劃采用7納米工藝。IBM目前正在研制、按比例增加最小2納米工藝。

全球排名前15位的半導體公司的關(guān)注點

硅晶圓廠和公司格局仍處于巨變的過程中

例子：在3月23日的消息中，英特爾的首席執(zhí)行官Pat Gelsinger表示，英特爾將向位于美國亞利桑那州的兩座新建的芯片代工廠投資200億美元，消息中說的芯片是由一個被稱為“英特爾代工服務”（Intel Foundry Services-IFS）的獨立部門制造的首批元件。現(xiàn)在這個IFS代工廠可以為任何公司的各種架構(gòu)制造芯片”。

這座IFS代工廠以近26億美元的季度銷售額進入前15位半導體供應商名單

?前15家半導體供應商名單中，有8家供應商的總部在美國；臺灣、韓國和歐洲各有兩個；一個在日本。

?除了在這個報告中列出的代工廠之外，英特爾和三星還有更多的晶圓廠進行各種內(nèi)部系統(tǒng)的設計。

在這15家公司中，有14家的單季度營收高于30億美元

?在前15名公司的名單中，有兩家新上榜的公司：聯(lián)發(fā)科（取代了海思）和AMD（取代了索尼）；

?海思是華為公司的半導體設計部門（之所以會被聯(lián)發(fā)科取代是受關(guān)稅、制裁的影響）；

?增長率最高的是無晶圓工廠的芯片設計公司（AMD，聯(lián)發(fā)科技，高通，英偉達）。

北美的優(yōu)勢體現(xiàn)在硅和系統(tǒng)設計上

在半導體行業(yè)中，許多頂級半導體公司的營收來源都是芯片設計。這些公司擁有設計方面的專業(yè)知識，通過代工廠為他們制造芯片。通過這種模式，他們能夠保持很高的毛利率。

北美半導體晶圓工廠和代工廠的現(xiàn)狀

?美國的政策制定者把半導體行業(yè)視為具有重要戰(zhàn)略意義的行業(yè)，因為它為其他行業(yè)中先進的國防、通信、大數(shù)據(jù)和人工智能提供最基礎的賦能技術(shù)；

?北美已具備非常強大的半導體研發(fā)能力與生產(chǎn)能力。

?無晶圓工廠模式：在16家半導體公司中，有6家公司（占比為40%）沒有晶圓工廠，英特爾、臺積電和三星在美國亞利桑那州進行的最新投資都是代工廠，可以滿足北美芯片設計公司的需求。

?英特爾現(xiàn)有的晶圓工廠也將在2024年提供代工服務。

? Global Foundries（GF）雖然有工廠，但沒有先進的工藝（28納米）。

?臺積電和三星計劃2024年在美國建立5納米和3納米的代工廠。

美國西海岸無晶圓工廠（Febless）模式的生態(tài)體系

臺積電、三星和英特爾計劃在2024年為總部設在美國硅谷的蘋果公司、英偉達公司和博通（Broadcom）公司，以及總部設在美國圣地亞哥的高通公司（Qualcomm）這些頂級芯片設計公司提供新的代工服務。他們在晶圓代工廠的位置選擇上首先要能夠滿足硅谷和南加州無晶片工廠的芯片制造商的服務要求。

美國政府為提高本土的半導體產(chǎn)能已經(jīng)做了大量的投資：

?英特爾、臺積電和三星（排名前三位的公司）都在2024年建立代工廠，以滿足芯片設計公司的需求。

?臺積電：已經(jīng)在亞利桑那州建立5納米工藝的晶圓工廠，可能還要在美國追加建設五座晶圓工廠。正式公布的投資額已經(jīng)達到120億美元。

?英特爾：投資200億美元，在亞利桑那州新建兩座工廠

?三星：在美國德克薩斯州奧斯汀投資170億美元建設5納米工藝晶圓廠。

（注：臺積電擔心北美的能力、產(chǎn)量，因為這可能會使進度放緩并導致價格上升。）

編輯：黃飛

?