12英寸晶圓廠真的要取代8英寸嗎？

過去幾年，全球晶圓廠建設(shè)如火如荼，突如其來的疫情，雖然對產(chǎn)能建設(shè)造成了一些影響，但總體規(guī)劃和發(fā)展態(tài)勢沒有變，特別是12英寸（300mm）晶圓廠，規(guī)模和聲勢更加引人關(guān)注。

以疫情剛剛爆發(fā)的2020年為例，來自SEMI的統(tǒng)計和預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年，全球用于12英寸晶圓廠的投資額同比增長13%，創(chuàng)造歷史新紀錄。而且，由于疫情影響，全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程加速，這樣，2021年在12英寸晶圓廠上的投資再創(chuàng)新高，同比增長約4%，之后的2022 年稍微放緩。

從當(dāng)時的預(yù)測情況來看，2022年之前沒有大問題，但對2023年的預(yù)測顯然過于樂觀了，今年的情況并不好。

在晶圓廠數(shù)量方面，SEMI表示，排除低可能性或謠傳的晶圓廠建設(shè)，保守估計，2020- 2024年至少新增38座12英寸晶圓廠，其中，中國臺灣增加11座，中國大陸增加8座，兩地區(qū)合計占總數(shù)的一半。預(yù)計2024年12英寸晶圓廠總數(shù)將達到161座，晶圓廠月產(chǎn)能有望增長180萬片(wpm)，達到700萬片以上。

近幾年，雖然中國大陸在12英寸晶圓廠建設(shè)方面出現(xiàn)了不少泡沫，但總體增長的勢頭，特別是市場對產(chǎn)能的需求量一直是剛性增長。在這種情況下，中國大陸產(chǎn)能占全球比重將快速增加，據(jù)統(tǒng)計，2015年的市占率僅為8%，而到2024年將增至20%，月產(chǎn)能也將達到150萬片。

與中國大陸相比，日本在全球12英寸晶圓產(chǎn)能比重持續(xù)下降，2015年約占19%，2024年將跌至12%；美洲也將從2015年的13%，跌至2024年的10%。SEMI認為，韓國將成為最具發(fā)展?jié)摿Φ氖袌?，投資額在150億-190億美元之間，緊隨其后的中國臺灣投資額約為140億-170億美元，中國大陸為110億-130億美元。

前些天（3月27日），SEMI發(fā)布的最新統(tǒng)計和預(yù)測報告顯示，在2021和2022年強勁增長后，由于存儲和邏輯芯片需求疲軟，預(yù)計2023年12英寸晶圓廠產(chǎn)能擴張將放緩，不過，這只是短暫“休息”，SEMI認為，到2026年，全球12英寸晶圓廠產(chǎn)能將增加到每月960萬片，創(chuàng)歷史新高。

SEMI總裁Ajit Manocha表示，在2022-2026年間，新增產(chǎn)能的主要驅(qū)動力為：模擬和功率器件IDM的產(chǎn)能以30%的復(fù)合年增長率領(lǐng)先，其次是晶圓代工業(yè)，增長率為12%，之后是光電器件的6%，存儲芯片的4%。包括格芯（GlobalFoundries）、華虹半導(dǎo)體、英飛凌、英特爾、Kioxia、美光、三星、SK海力士、中芯國際、意法半導(dǎo)體、德州儀器、臺積電和聯(lián)電在內(nèi)的IDM和晶圓代工廠，將有82座新廠在2023-2026年期間運營。

由于美國的出口管制，中國大陸企業(yè)和政府將12英寸晶圓廠投資重點放在了成熟制程產(chǎn)線上，其全球份額將從2022年的22%增加到2026的25%，產(chǎn)能達到每月240萬片。

根據(jù)SEMI的預(yù)測，2022-2026年，由于存儲芯片市場需求疲軟，韓國占全球12英寸晶圓產(chǎn)能比重將從25%下滑至23%，盡管中國臺灣地區(qū)的份額也會略有下降，從22%降至21%，但仍有望保持第三名的位置。而日本在全球的份額預(yù)計將從2022年的13%下降到2026年的12%。

在政府投資的推動下，2022-2026年，預(yù)計美洲、歐洲和中東地區(qū)的12英寸晶圓產(chǎn)能份額將增長，到2026年，美洲的份額將增長0.2%至接近9%，歐洲和中東地區(qū)的份額將從6%增加到7%，東南亞的4%基本保持不變。
由于推出了390億美元的芯片制造補貼計劃，美國“芯片法案”帶動本土的英特爾、美光、德州儀器，以及外來的臺積電和三星電子等國際巨頭企業(yè)在美國大規(guī)模興建12英寸晶圓廠。

英特爾在亞利桑那州投資了200億美元建設(shè)兩座晶圓廠，2022年9月，英特爾又斥資 200 億美元在俄亥俄州建造兩座先進制程晶圓廠，而且，類似的投資在未來還會增加，十年內(nèi)的總額可能會達到1000億美元。

“芯片法案”公布之后，美光就宣布了400億美元的投資計劃，這一投資持續(xù)到2030年，將分階段在美國建設(shè)先進制程存儲芯片晶圓廠。

臺積電在亞利桑那州建設(shè)的5nm晶圓廠已經(jīng)搬入設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，該晶圓代工龍頭2022年12月宣布將再建一座3nm制程晶圓廠，這些項目投資加起來，不少于400億美元。三星在德克薩斯州新建了一座12英寸晶圓廠，其總投資也將由原計劃的170億美元提升至250億美元。

在歐洲，臺積電，英特爾都有新建12英寸晶圓廠的計劃，目前正在規(guī)劃當(dāng)中。

12英寸晶圓的魅力

目前，硅晶圓的主力是8英寸和12英寸的，而從前文所述，以及目前的市場行情來看，12英寸的明顯壓過8英寸一頭，這是為什么呢？

一個很重要的原因就是先進制程的發(fā)展。14nm以下的芯片，如已經(jīng)量產(chǎn)的7nm、5nm、4nm、3nm，以及未來的2nm等，都是用12英寸晶圓制造的。原因在于：制程工藝越復(fù)雜，芯片的成本越高，為了控制成本，就要最大化地利用硅晶圓，而晶圓尺寸越大，浪費的越少，利用率越高。例如，用8英寸和12英寸晶圓生產(chǎn)同一制程工藝的芯片，12英寸所產(chǎn)芯片數(shù)量是8英寸的2.385倍。

12英寸晶圓的表面積大約為70659平方毫米，以華為麒麟990 5G處理器為例，其單個芯片面積為10.68×10.61＝113.31平方毫米，如果晶圓能夠被100%利用，可以生產(chǎn)出700個這樣的芯片，但實際上這是不可能的，芯片是方形的，晶圓是圓形的，一定會有損耗，理論計算可以產(chǎn)出640個左右，但考慮到良率等因素，實際能生產(chǎn)出500個左右。

再有，12英寸晶圓廠潔凈度要比8英寸高出不少，因此，同樣的芯片產(chǎn)品從8英寸產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到12英寸的，其良率會明顯提升，從而增加成本效益。

8英寸晶圓廠還有前途嗎？

12英寸晶圓的成本效益高，全球各大芯片廠商也在興建12英寸晶圓廠，難道8英寸晶圓產(chǎn)線已經(jīng)成為昨日黃花，沒有價值了？答案是否定的。

這里有一組數(shù)據(jù)，截至2022年，全球有150多座12英寸晶圓廠，其中，42座在中國臺灣，33座在中國大陸，19座在美國，12座在歐洲和中東。雖然先進制程工藝很重要，且吸引了大量投資，但仍有相當(dāng)大比例的芯片在8英寸晶圓廠生產(chǎn)，特別是90nm-180nm工藝節(jié)點芯片，是8英寸產(chǎn)線的天下。截至2022年，全球約有230座8英寸晶圓廠，其中，51座在美國，49座在歐洲和中東。

從2018年起，8英寸晶圓芯片產(chǎn)能就處于供給不足的狀態(tài)，這種狀況一直持續(xù)到2022上半年，特別是在中國大陸，無論是IDM，還是晶圓代工廠，8英寸晶圓產(chǎn)能一直都很緊俏，產(chǎn)能利用率相當(dāng)高。

出現(xiàn)這種狀況的原因主要是市場對模擬芯片的需求量一直在提升，功率器件、電源管理芯片、CMOS圖像傳感器、MEMS傳感器、RF收發(fā)器、濾波器，PA、ADC、DAC等，大都在8英寸晶圓產(chǎn)線投產(chǎn)。

SEMI預(yù)計，2019~2022年，全球8英寸晶圓產(chǎn)量增加約70萬片，增幅為14%，其中，MEMS和傳感器相關(guān)產(chǎn)能約增加25%，功率器件產(chǎn)能提高約23%。2019年，在15個新晶圓廠建設(shè)計劃中，約有一半是8英寸的。

8英寸晶圓產(chǎn)能為何滿足不了應(yīng)用需求呢？主要原因有如下幾點。

一、市場對模擬芯片的需求強勁，特別是新能源汽車的快速發(fā)展，對功率器件（IGBT、MOSFET等）的需求相當(dāng)強勁，而這些芯片主要在8英寸晶圓產(chǎn)線生產(chǎn)。

二、晶圓代工廠的8英寸線產(chǎn)能普遍緊張，而且，大部分模擬、分立器件市場由IDM大廠把持，但因產(chǎn)能有限，這些IDM通常會將訂單外包給晶圓代工廠，同時，在從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸過程中，部分IDM的主要產(chǎn)能專注于12英寸線，沒有額外增添8英寸線，這樣就不得不將8英寸產(chǎn)品外包。因此，大部分IDM擴產(chǎn)幅度比需求增長幅度低，外包的比例會越來越高，這樣就加劇了8英寸晶圓代工產(chǎn)能供不應(yīng)求的情勢。

三、相關(guān)設(shè)備供給不足，很多設(shè)備廠已經(jīng)不再生產(chǎn)8英寸晶圓加工設(shè)備了，二手設(shè)備數(shù)量又很有限，以及8英寸硅片產(chǎn)量受限等，也在制約8英寸晶圓產(chǎn)能供給量。

2008-2016年，全球共有15座8英寸晶圓廠轉(zhuǎn)型為12英寸的，然而，從2016年開始，8英寸晶圓廠關(guān)閉的速度開始減緩，這種態(tài)勢一直持續(xù)到2021年前后，8英寸晶圓產(chǎn)線似乎煥發(fā)了第二春。

疫情爆發(fā)以來，全球半導(dǎo)體業(yè)呈現(xiàn)出異常紅火的局面，特別是2020年到2022上半年，各種芯片供不應(yīng)求，8英寸晶圓產(chǎn)能的市場需求非?；鸨?。但從2022下半年開始，這股芯片熱快速降溫，進入2023年以來，各種芯片全面過剩，8英寸晶圓產(chǎn)能不再像過去幾年那么火爆了。不過，這是全行業(yè)共有的狀況，并不是8英寸獨有的。業(yè)界普遍估計，到了2024年，全球半導(dǎo)體業(yè)將全面復(fù)蘇，到那時，8英寸晶圓產(chǎn)能需求有望再次熱火起來。

作者：暢秋