从氖气到工具部件，该行业正在创建更具弹性的供应链。
过去两年的强劲增长，以及至少到2025年对芯片似乎永不满足的需求，正在引发芯片公司的大规模投资——未来五年将高达5000亿美元。但是，如果原材料、工具零部件和燃料设施所需的硅不大幅增加，这些数字就不太可能实现。
市场分析公司Techcet总裁兼首席执行官利塔·桑-罗伊表示，材料是快速扩张的芯片行业的致命弱点。原因是广泛的，从供应链的一端延伸到另一端。举个例子:自俄罗斯入侵乌克兰以来，用于光刻工具的霓虹灯一直供应不足，而乌克兰占该行业供应量的50%。企业正在其他地方扩大产能，但数量仍然紧张。在另一个例子中，3M在比利时的一家生产PFAS的工厂被暂时关闭，威胁到光阻剂和防反射涂料的供应。
总而言之，在材料供应方面，该行业正在长期考虑如何从被动模式转变为主动模式，包括在全球范围内裁员，这样一家工厂的关闭就不会引起整个行业的争夺。
"我们都记得1993年住友(Sumitomo)工厂火灾导致环氧树脂严重短缺的情况，"该公司企业营销副总裁Sanjay Malhotra说半．“出于业务连续性的考虑，我们需要在系统中建立冗余。全球多元化很重要。虽然企业试图避免未充分利用的资产贬值是可以理解的，但确保必要的库存水平以避免短缺是必要的成本。”
麦肯锡公司(McKinsey & Co.)高级分析师比尔•怀斯曼(Bill Wiseman)提出了美国公司填补材料供应链空白的几种方法，这些方法根据市场规模、进入美国的容易程度以及目前进口的百分比进行了排名(见图1)。怀斯曼认为，快速取胜的是组装、特种气体和化学品。散装化学品和气体属于有机运动的范畴。他认为IC基板、光刻和晶圆厂设备是知识产权丰富的市场，很难进入，是合资企业和知识产权许可协议的领域。
图1:美国扩张的潜在领域。来源:麦肯锡
对于组装和包装企业来说，基材的短缺是严重的。TechSearch International总裁Jan Vardaman说:“我们已经做了大量的建模，我们已经证明了高性能应用中的堆积基板短缺是真正的短缺。”他说:“去年的情况很糟糕，今年的情况真的很糟糕，明年的情况就像火车失事一样。要到2024年到2025年才能建立起解决这个问题的能力。”
瓦尔达曼指出，基材短缺实际上与疫情关系不大，更多的是由于行业迅速向先进包装和更大的多层基材过渡。她估计，目前对新工厂的投资需要两年时间才能投产。
在KrF和ArF(分别为248nm和193nm)光刻中用作主要载气的氖气的短缺，与俄罗斯对乌克兰的战争直接相关。霓虹灯是钢铁生产的副产品，主要在乌克兰、俄罗斯和中国生产。全球约50%的半导体级氖(>99.9995%)供应是由两家乌克兰公司Ingas和Cryoin供应的，这两家公司最近几个月被迫关闭了在乌克兰马里乌波尔和敖德萨的生产。
世界上只有少数几家公司有能力获得半导体级氖。林德就是这样一家公司。该公司宣布斥资2.5亿美元扩大其位于德克萨斯州拉波特工厂的霓虹灯产能。尽管领先的芯片制造商确实从2月份开始储备霓虹灯，而且现代工具具有回收能力，但仍需要定期补充气体。中国和韩国也在增加霓虹灯产能。
除了霓虹灯之外，企业正越来越多地向其他供应商寻求过去从俄罗斯公司获得的关键金属。这些金属包括钛、铜、镍、钯和铂。
根据Techcet的数据，到2025年，全球对半导体级盐酸、氢氧化铵、IPA、硫酸和过氧化氢的清洁化学品需求将增长37%至49%。肖恩-罗伊表示，在美国，大多数供应商都处于卖光的状态，公司正在等待《芯片法案》的通过，以确定补贴是否会减轻新产能扩张的负担。
"停产风险最高的材料是气体和化学品，如果没有大量投资，美国晶片厂将越来越依赖进口，主要来自亚洲，以满足激增的需求，" Techcet的shawn - roy表示。不愿投资的企业尤其来自为许多行业服务的工业化学品供应商，而不仅仅是半导体。
聪明的投资
像《欧洲芯片法案》和《美国芯片法案》这样的本地化激励方案针对的是供应链问题和劳动力发展，因为如果没有工程师和技术人员运行系统，工厂就无法正常运行(见图2)。
在谈到如何为美国半导体制造业建立更好的生态系统时，怀斯曼指出:“美国约有30万工程师计划在未来八年内退休，所以要么人们工作时间更长，要么我们需要1.5倍以上的H1-B签证，将STEM毕业生增加两倍，或将绿卡增加5倍。”
图2:解决工程类人才短缺的手段包括将H1-B签证增加45%，将绿卡批准数量增加500%，并将STEM毕业生增加174%(2019年基准)。来源:麦肯锡
Wiseman表示，晶圆净产量从3%上升到7%，导致了严重的供应链问题。同样，对于全球材料市场而言，化工和材料供应商也没有跟上连续几年两位数的收入增长。根据Techcet的数据(见图3)，2021年全球材料市场增长了15%，达到590亿美元。该公司预计今年的增长率将放缓至8%，2023年可能会放缓至2%，因此需要更多的材料来满足需求。
图3:晶圆和化学品收入的ASP增幅最大。晶圆片、消耗性元件、前驱体、清洁剂和CMP增长最快。来源:Techcet
2021年和2022年将是十年来硅片首次实现连续两年盈利。这是主要的原因晶圆产能投资不足，像晶圆厂需要两年才能达到生产水平。然而，即使宣布了扩张，到2024年，200mm和300mm晶圆的硅供应也将不足。
最近，由于Lam Research、Applied Materials和其他工具供应商报告了由于未完全向晶圆厂交付工具而导致的递延收入，工具组件短缺变得明显起来。今年4月，在该公司2021年第四季度的收益电话会议上，林的执行副总裁兼首席财务官Doug Bettinger表示:“这些不利因素部分与欧米克龙和劳动力有关，部分与供应或规模有关，部分与货运和物流限制有关。我们预计，该行业更广泛的供应链问题将持续一段时间，我们将在3月份的季度结束时增加供应或发货延迟，这可能会导致递延收入再增加5亿美元。”
Lam表示，公司第四季度的递延收入是由一家供应商的延迟造成的，而这些部件已经成功交付。
图4:当生产晶圆厂加工工具所需的芯片无法获得时，它对下游电子行业的影响不成比例。来源:半
在某些情况下，工具制造商在获得工具运行所需的芯片方面遇到了问题——SEMI描述了一个周期性问题(见图4)。用于工具的fpga、微控制器、RF、传感器和电源管理芯片占整个半导体行业的比例不到1%。然而，当它们不供应给工具制造商时，它会对半导体和系统生产产生不成比例的影响。1从本质上讲，一个ATE系统中的100个芯片用于测试1000万个可生产10万辆汽车的mcu，增加了任何一个缺失部件的影响。
短缺一直延伸到原材料层面，包括不锈钢、电机、mfc、气动阀门、光刻胶过滤器等，这些都用于制造工具和输送系统。
设备部件供应商Sparetech的销售经理弗雷德·布沙尔(Fred Bouchard)说:“重要的是要记住，在大流行期间，工具的交货周期已经很长了，因此工艺工具现有的6到12个月的交货周期变成了12到24个月。”
SEMI的Malhotra表示，最近几周半导体和设备交付方面都出现了一些放缓，但企业仍在寻求更好地管理供应链的方法。
二次采购会回来吗?
第二采购是一种常见的做法，电子或系统公司有特定零件的主要IC供应商，但当主要供应商不能完全满足需求时，也有第二个供应商来填补需求。在工厂火灾或严重的产量下降影响公司交付芯片能力的情况下，第二种采购方式非常有效。
在200毫米晶圆加工处于领先地位的时代，许多组件和材料的二次采购是很常见的。但随着向300mm加工的过渡，许多与OEM服务协议的IC制造商放弃了第二源模式。
“在亚洲，他们从未停止过二次采购，”布沙尔说。他说:“台湾和韩国的晶圆厂在该地区可能有数百家供应零部件的供应商，其中许多公司活跃在美国和欧洲。但300mm晶圆厂与oem签订了服务合同，因此在美国往往没有第二个采购源。”
布沙尔指出，当英特尔向300毫米过渡时，该公司基本上取消了200毫米的二次采购计划，由于该公司的强大购买力，这影响了行业本身。“由于成本一直是该行业赢得合同的关键因素，因此加强供应链的动力不足。供应商的盈利能力根本不在考虑范围之内。”
结论
虽然芯片行业正在努力缓解这些供应链问题，但更长期的合同、与供应商更好的透明度以及材料的本地化供应似乎是实实在在的。
马尔霍特拉说:“在晶圆厂，人们现在更加注重限制霓虹灯和其他短缺材料的使用水平和回收利用。”他补充说，虽然不是每个地区都能得到所有的原材料，但在使用原材料的地区，肯定可以进行提炼和提纯作业。区域性举措可以确保封装基材、组件和关键材料的冗余。
麦肯锡的怀斯补充说，需要集体行动来增加人才的可用性，并在可持续发展目标上建立集体立场。
他说:“我们看到，材料供应商的投资缓慢，他们希望看到数字，他们希望看到投资回报率。“这需要有良好经济意识的人，他们意识到现在是采取行动的时候了。”
参考
有关的故事
300mm晶圆不足有望改善，但200mm晶圆不足无法改善
供应商正在投资新的300mm产能，但这可能还不够。尽管200毫米的需求迅速增长，但只有Okmetic和中国的新厂商在增加产能。
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