300mm晶圆短缺有望改善，但200mm晶圆短缺尚未改善

裸晶圆片的供应链不平衡。需求明显高于晶圆供应商的供应能力，造成可能持续数年的短缺。

对于300mm晶圆，前五大厂商——日本的SEH和Sumco，德国的Siltronic，台湾的GlobalWafers和韩国的SK Siltron——终于在去年采取了行动，在新的晶圆设施上投入了数十亿美元。五巨头占据了90%的市场份额，但他们的“绿地”晶圆厂最早要到2024年才能生产晶圆。

在规模更大的厂商中，只有生产用于制造MEMS、传感器、射频和功率器件的先进定制硅片的Okmetic(市场份额排名第七)在投资200mm。另一个例外来自中国，在那里，一个广泛但相当分散的晶圆供应商集团正在加入这个游戏。业内专家说，中国生产商还没有掌握所需的质量，但他们达到标准可能只是时间问题。

300mm是体积和金钱的所在。但对于许多终端产品来说，用200mm晶圆制造的芯片正处于关键阶段。正如Okmetic首席运营官Anna-Riikka vuorikarii - antikainen所言SEMI的硅晶圆制造商集团他指出，消费者不愿意购买没有雷达的汽车，没有先进传感器的洗衣机，或者不能处理5G的手机。这些市场依赖于通常用200mm晶圆制造的芯片，而这些200mm晶圆通常具有其所服务的市场所独有的特性。产量更小，制造过程往往更复杂。但在包含数百甚至数千个芯片的终端产品中，没有足够的任何一个芯片仍然会造成瓶颈。

然而，晶圆供应商不能只是踩油门，以更快的速度生产晶圆。正如Techcet的市场研究总监丹·特雷西所指出的，晶圆制造业没有摩尔定律。制造晶圆片是一个艰苦的过程。此外，他指出，仅在去年，硅片收入才恢复到2007年的水平。这是14年前的事了，目前的平均售价仍比2007年低36%。

图1:硅晶圆收入预测(2022年2月更新)。硅晶圆收入在2021年增长了14.5%，最终达到了2007年的水平。来源:Techcet

但现在，由于产能比以往任何时候都紧张，价格也在上涨，晶圆供应商的盈利能力也创下了纪录，这尤其要归功于300毫米晶圆的需求。然而，他说，这与价格无关，更多的是与供应链的稳定性有关。

特蕾西说，2021年是创纪录的一年。总体而言，晶圆出货量增长了14%，达到142亿平方英寸，相当于1700个美国足球场。与此同时，300毫米的出货量增长了13%以上，200毫米的出货量增长了15%以上，从2020年开始强劲复苏。到2022年，Techcet预计总出货量将增长约6%。

图2:截至2022年2月的硅晶圆出货量预测。2021年晶圆出货量增长了14%，是创纪录的一年。2022年的预期增长率约为6%。来源:Techcet

Techcet表示，整个硅晶圆市场(包括SOI晶圆)的收入增长了14.5%，到2022年将再次增长10%，达到155亿美元。这是十多年来晶圆行业首次连续两年实现两位数的增长。

然而，这种增长是以美元计算的，而且主要是由于价格上涨，而不是晶圆产量的增加。Tracy指出，2022年300毫米晶圆的需求约为每月7,200片。但直到2024年，即使100%运行，300毫米晶圆的总产能也将低于需求约10%。因此，一些客户——尤其是二线代工厂——已被安排分配。

与此同时，在规模小得多但增长速度极快的市场，比如基于碳化硅(SiC)晶圆，目前不存在短缺。但如果需求如预期的那样增长，晶圆短缺对他们来说也即将到来。

300mm:直到2024年及以后
300毫米晶圆的大量投资活动正在进行，但即便如此，需求仍将持续超过供应。

两家最大的晶圆供应商，SEH和Sumco，都位于日本，占据了超过50%的市场份额。Sumco在其2021财年业绩报告中分享了一些具有启发性的例子。

图3:300mm晶圆全球产能及需求预测(2022年2月)即使新增棕地和绿地，未来几年客户需求仍将超过全球晶圆产能。来源:Sumco

即使有了这些新产能，未来几年供应仍可能不足。300mm驱动器种类繁多。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。每个人都想要更多的芯片，而晶圆供应商真的无能为力。

图4:300mm晶圆的增长动力。智能手机仍然是300毫米晶圆的重要驱动因素，但随着行业的转变，对更多数据中心和汽车芯片的需求也在不断增长。来源:Sumco

最大的玩家SEH并没有说太多。该公司发言人在2021年12月与分析师的电话会议上表示:“我们完全没有改变我们的政策，即根据合同逐步增加产能。目前，公司继续满负荷运转，但我们无法完全满足需求。2022年和2023年，棕地投资将受到限制。绿地投资要到2024年才会开始贡献。因此，预计300毫米晶圆的短缺将持续一段时间。”

他补充说，包括材料和设备在内，SEH的成本比公司一年前首次考虑扩大投资时要高得多。此外，为SEH开发一些高度专业化设备的设备供应商也面临产能瓶颈。

他表示，一些客户今年的销量将会增加，同时价格也会上涨。但即使新建产能在2024年投入使用，他们“……预计随着新产能的推出，价格将进一步上涨。”

同样，在与分析师的21财年年终电话会议上，Sumco表示，对于300mm晶圆，“逻辑和内存客户进一步要求增加产量”，但“无法满足要求”。事实上，尽管Sumco投资20亿美元在日本Imari新建了一座300毫米的工厂，预计将于2024年投产，但Sumco与客户签订的长期协议(LTA)目前占到2026年产能的100%。

第三大晶圆供应商环球晶圆(GlobalWafers)本以为收购的是排名第四的矽创电子(Siltronic)。该交易本应在2022年1月敲定，但由于所有政府批准未能及时到位，该交易被搁置。GlobalWafers表示，他们为收购Siltronic指定的大约50亿美元将用于产能扩张。其中36亿美元将从今年开始一直持续到2024年，用于绿地投资。最近的一次台北时报文章指出，“在台湾、美国、意大利、韩国、日本和丹麦的六个地点，有棕地和绿地项目。”

Siltronic的大股东瓦克化学(Wacker Chemicals)仍表示，它正在考虑在中期出售其剩余股份。与此同时，矽创的表现还不错。2022年第一季度的收入比2021年第四季度增长了10.7%，主要是因为asp的增加，但也因为前几年现有工厂的一些棕地扩张。Siltronic首席执行官Christoph von Plotho告诉德国报纸，至于向GlobalWafers出售，早在1月份，交易显然不会通过F.A.Z“很多事情都改变了。芯片稀缺，价格不断上涨。从今天的角度来看，不变的报价没有那么有吸引力。”

与此同时，矽创电子(Siltronic)正满负荷运转，并继续投资20亿欧元在新加坡新建的300毫米晶圆厂“FabNext”。管理层将其描述为最先进的、高成本效益的。“我们很自豪FabNext的建设得到了长期购买协议(LTAs)和几家领先客户的预付款的支持，”矽创电子表示。第一批晶圆预计将于2024年上市。

在其位于德国弗莱堡的工厂，矽创正在建造一个新的晶体生产车间，并安装新的外延反应器。在俄勒冈州波特兰市也有一些“适度扩张”。

韩国的SK Siltron也在大举投资300mm晶圆制造。2022年3月，该公司宣布投资约12亿美元，在富美国家3d工业园区建设一家晶圆厂。该公司在过去两年中一直以最大产量运行。

SK Siltron总裁张永浩说韩国IT新闻“晶圆投资是一项风险投资，很难根据市场的变化做出准确的预测和快速的反应。我们将通过与全球半导体公司的合作和技术创新，具备高质量的晶圆制造能力，成为晶圆领域的领导者。”

还差200毫米，没完没了
如果听起来300mm市场很紧张，至少2024年会有一些喘息的机会。而那些用200毫米晶圆制造芯片的公司就没有这样的运气了。2022年4月，SEMI发布了其200mm Fab展望报告．这表明，从2020年初到2024年底，全球半导体制造商有望将200mm晶圆厂产能提高120万片，即21%，达到每月690万片的历史新高。

SEMI总裁兼首席执行官Ajit Manocha表示:“晶圆制造商将在五年内增加25条新的200mm线，以帮助满足对5G、汽车和物联网(IoT)设备等应用日益增长的需求，这些应用依赖于模拟、电源管理和显示驱动集成电路(ic)、mosfet、微控制器单元(mcu)和传感器等设备。”

这在很大程度上是该行业“超越摩尔”的部分。但他们从哪里获得支持扩张所需的晶圆?

唯一宣布扩大200mm的重要晶圆供应商是芬兰的Okmetic，但它并没有准备好应对行业预期的所有200mm增长。

Okmetic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，以提高电力使用和效率。

自1985年由一家冶金公司和诺基亚成立以来，Okmetic已经处理了整个晶圆过程，从晶体生长开始。晶圆定制从硅锭的生长开始。如何掺杂生长钢锭取决于客户产品所需的特性- RF器件的高电阻率和功率器件的低或中等电阻率。同样，MEMS和传感器也需要专门定制的材料和工艺。

Okmetic已经承担了4亿欧元的投资，这是公司历史上最大的投资，用于新的200毫米生产设施，这将使他们的产能和业务增加一倍以上。新工厂的晶圆生产预计将于2025年开始。在过去的五年中，Okmetic还投资了超过1亿欧元来增加其Vantaa(芬兰)工厂的生产能力。

SEMI报告显示，今年代工厂将占全球200mm晶圆厂产能的50%以上，其次是模拟制造商，占19%，分立/功率制造商占12%。从地区来看，到2022年，中国将以21%的份额引领全球200mm产能，其次是日本的16%，台湾和欧洲/中东各占15%。

高德纳研究、技术和服务提供商副总裁Samuel T. Wang总结道，对于200mm晶圆短缺，“看不到尽头。”“中国可能是唯一的解决方案。”

中国崛起
与此同时，中国正在为其晶圆供应商设定激进的目标。虽然质量仍有待提高，但有晶圆供应商提供适合90nm生产的200mm和300mm晶圆。

Wang提到，中国至少有十几家晶圆供应商正在迅速崛起。它们包括ESWIN，杭州半导体晶圆有限公司(日本铁铁集团的一部分)，NSIG(国家硅工业集团，是Soitec, Okmetic, ZingSemi和Simgui的投资者，后者反过来与Soitec合作生产RF-SOI晶圆，以及其他产品)，重庆先进硅技术有限公司(“AST”)和南京国盛电子有限公司。

但中国真正推动的是化合物半导体业务。

SiC快速上升
碳化硅(SiC)晶圆用于电力市场。这是一个刚刚起步的市场，虽然目前还没有出现短缺，但它们可能很快就会出现。碳化硅晶圆制造是一个比硅慢得多、耗能大得多、成本高得多的行业。一个碳化硅圆孔(钢锭)通常需要数周的时间才能在温度为硅的两倍的熔炉中生长，每个圆孔只能生产约50片晶圆，产率损失在30%左右，成本比硅高20到50倍。

但由于SiC在解决电动汽车(EV)续航里程焦虑(以及其他与电力相关的挑战)的芯片方面的前景，SiC目前是竞争日益激烈的一个来源。

Halo Industries的首席执行官引用了他最喜欢的来自Canaccord Genuity的图表，他的公司拥有一种激光技术，可以更有效地将SiC球体切割成晶圆。它表明，需求在2023年遇到供应问题，并从那时开始螺旋式上升，直到本十年末。

图5:所有应用的碳化硅晶圆需求。到本世纪末，对SiC晶圆的需求将大大超过供应。来源:Canaccord Genuity

这有助于解释为什么碳化硅行业的领导者Wolfspeed刚刚在纽约州北部开设了世界上最大的碳化硅工厂，并正在扩建其北卡罗来纳州的材料厂。

与此同时，硅晶圆制造商Soitec正押注于利用其智能切割技术，从一个硅晶圆中获得比目前可能多10倍的硅晶圆。它宣布了一个新的SiC晶圆制造工厂，预计将在2023年下半年产生首批收入。该公司一位发言人表示:“我们提高了对未来的可视性，客户要求通过长期协议确保晶圆的供应，期限比以前更长。”

高德纳的Wang说，中国至少有15家晶圆厂在生产碳化硅。“他们认为他们可以超过美国，”他说。

它需要一个生态系统
整个芯片行业都存在严重的短缺，每个领域都感受到这种短缺。公司正在储备设备、材料，甚至是制造的设备。

“我们的一些层压板有52周的交货时间，”市场营销总监罗西·梅迪纳(Rosie Medina)说QP技术．“我们大概已经开了三个月了，顾客们都在耐心等待。一些公司不接受陶瓷包装订单，即使是旧的，传统类型的陶瓷包装。我们qfn的领先周期并没有太糟糕——我们已经从8周缩短到16周——因为我们正在批量购买。而且我们看到的采购订单要提前得多。但我们刚刚被告知，晶圆现在需要一年的交货时间，所以我不得不回去对客户说，‘我需要更多的采购订单保障，才能完成订单，否则你们的晶圆就要卖光了。’”

与此同时，晶圆供应商仍然保守而神秘。他们对投资的不情愿可以追溯到2009年市场崩盘之前，当时他们在高增长的前景上大举投资，结果却被抛在了身后。

Techcet的特蕾西说，时至今日，供应商仍在竭力提醒业界，晶圆片不是一种商品。他们有多达一千种不同的参数需要尊重，根据每个客户的需求量身定制。

vuorikarii - antikainen说，SEMI为整个供应链提供了一个讨论平台。整个供应链在一个健康的生态系统中运作是至关重要的。关于短缺，她说，“还有时间采取行动”，但现在就是行动的时候。

结论
芯片行业只能希望整个生态系统最终能够进行认真而富有成效的谈判。只有这样，所有供应链参与者才能获得相互盈利所需的可见性和信任。如果他们不这样做，这个行业就有可能陷入一场不断加深的危机——这场危机可能需要数年时间才能解决。

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