关于八吋晶圆的性能分析和应用介绍

最近两年，产能吃紧和涨价已经成为了半导体业的永恒话题。而在前些年，还被很多人看不上眼，觉得营收能力有限的8英寸晶圆代工产线，最近一年一跃成为了香饽饽，产能供不应求，营收能力大涨，重新回到了行业视野的中心点。

就在前几天，8英寸晶圆代工产业龙头世界先进和联电同时爆出产能全满的消息。

世界先进三座8英寸厂产能全满，还传出其8英寸晶圆代工平均售价（ASP）将上涨5%~10%，并开始筛选订单，优先生产高毛利产品。

联电也宣布，8英寸厂产能全满，将调涨价格并顺势扩产。由于产能明显不足，该公司在大陆的和舰厂也将扩产15%，据悉，这是该厂近年最大的单一扩产动作。

市场如此火爆，8英寸晶圆为何能产生这么大的诱惑力呢？

SEMI的报告显示，2017年，全球的晶圆（硅片）出货总面积为11810百万平方英寸，同比 增加10%，全球晶圆总营收同比增长21%，晶圆价格上涨明显，累计上涨约10%。

根据SEMI和IC insight的数据，2017年全球晶圆产能为17.9Mwpm（百万片/月），其中，8英寸片产能约为5.2 Mwpm。

预计到2021年，8英寸晶圆产能仍将逐步增长，以可用硅晶圆面积计算，每年平均增长幅度为1.1%。

在2017年的基础上，2018年8英寸晶圆价格继续攀升。目前，上游硅片产能难以满足下游快速增长的需求，SUMCO的一季报显示，本年度硅片出厂价格有望增长20%，2018年Q4价格将较2016年Q4增长40%。

8英寸晶圆的优势

按照尺寸分类，目前行业应用的晶圆主要有6英寸、8英寸和12英寸这3种，其中8英寸和12英寸的应用量最大。

而相较于12英寸产品，8英寸晶圆有诸多优势，其中，最主要的是以下两个：

首先，8英寸晶圆已具备了成熟的特种工艺，而特种工艺技术能够使尺寸较小的晶粒包含较多的模拟内容，或支持较高电压。

特种工艺技术包括高精度模拟CMOS、射频CMOS、嵌入式存储器CMOS、CIS、高压CMOS、 BiCMOS和BCDMOS。这些特种技术对晶圆代工厂的工艺参数有较为严格的容差限制，常用的DC-DC转换器、马达驱动器、电池充电器IC一般都使用8英寸晶圆生产。

其次，大部分8英寸晶圆厂设备已折旧完毕，固定成本较低。8英寸晶圆厂的产能在上世纪90年代末期开始提升，大部分晶圆厂现已完全折旧完毕，因此，8英寸晶圆产品在经营成本上极具竞争力。

虽然当前设备供应商不再制造8英寸晶圆厂所用的新设备，但他们通常会与8英寸晶圆厂进一步合作，以极具成本效益的方式，使旧设备寿命延长10~15年。

除了以上这两点，8英寸晶圆还具有其它优势，这里就不再赘述了。但总体而言，其各种优势，万变不离其宗，核心都是成本，这是其最强的杀手锏。

应用需求驱动

在应用端，对8英寸晶圆代工的强劲需求主要来源于功率器件、电源管理IC、影像传感器、指纹识别芯片和显示驱动IC等。由于模拟/分立器件拥有成熟制程+特种工艺的特性，因此，这些产品绝大多数会采用8英寸或6英寸线生产。

当前，8英寸晶圆产能中约47%来自于Foundry，其余产能需求主要来自于IDM的模拟芯片、分立器件、逻辑芯片和MEMS，其中模拟芯片、分立器件和逻辑芯片（主要为MCU、指纹识别芯片、CMOS等）、MEMS等的产能需求占比已提升至50%。

图：8英寸晶圆的市场需求结构（来源：SEMI）

功率器件需求强劲

当前，市场对功率器件的需求相当强劲，而这也给了8英寸晶圆更多的商业机遇。

汽车和工业应用是功率器件增长的主要驱动力。据Gartner统计，在全球半导体市场中，工业应用和汽车电子的增速最快，而工业应用和汽车电子的应用增量主要来自于功率半导体。

据IC insights预计，在功率半导体年出货量方面，2016~2021的年复合增长率为5.2%。2017年，功率分立器件销售额同比增长10.4%。受益于汽车和工业应用驱动，预计未来3年功率分立器件市场仍将保持5%左右的增速。

SEMI的数据显示，功率分立器件约占8英寸晶圆应用的16%。由于8英寸晶圆设备短缺，全球8英寸晶圆产能增长率仅为1~2%， 低于功率半导体和功率分立器件的增速。

因此，汽车电子和工业应用对功率半导体需求大于供给导致功率半导体涨价，而功率半导体对8英寸晶圆产能需求大于供给，导致8英寸晶圆涨价。

在所有功率器件中，IGBT是最具增长潜力的。IHS预计，全球IGBT市场在2016~2021期间的年复合增长率为8%，汽车和工业应用是主要驱动力，而全球MOSFET市场在2016~2021期间的年复合增长率为3%，工业应用仍然是主要驱动力。

硅片产量有限

放眼全球，硅片供应商主要有日本信越、Sumco、中国***的环球晶圆、德国Silitronic和韩国SK Siltron等，前5大厂商市场占有率超过90%。此外，***地区的合晶科技、 Ferrotec也是8英寸硅片的重要供应商。据统计，2017年全球8英寸硅片产能约为5.4Mwpm。

图：全球主要硅片生产商及市场占有率（来源：中时电子报）

目前，全球超过三分之一的8英寸硅片在日本生产。从2016年开始，日本国内8英寸硅片产量和销售量持续提升，而库存水平逐渐下降，存货比率从最高点的90%下降至2017年底的44%。

需求的持续增加使得8英寸硅片在2017年Q1供给紧张，并从2017年上半年开始涨价，2017全年涨价幅度约为3%，而到了2018年Q1，8英寸硅片持续缺货，涨价幅度达到了10%。

根据硅片巨头Sumco在一季报披露的内容，预计硅片价格在2018和2019 会持续增长。

Sumco认为，8英寸晶圆的供给量增长有限，且生产设备又不易取得，晶圆代工厂难以对8英寸硅片扩充产能， 8英寸硅片会呈现长期供应紧张状态，恐将缺货至2021年。

从目前情况来看，虽然自2017年以来8英寸硅片价格上涨幅度超过10%， 但是从长周期来看，当前8英寸硅片价格仍处于历史低位，从2007年至今，8英寸硅片价格下降约40%，大部分硅片生产厂的8英寸产品已亏损多年，因此，即使8英寸硅片价格上涨，硅片巨头的扩产意愿也并不强烈。

可见，在产业源头——硅片产能迟迟跟不上去，是导致全行业缺货的根源。由于市场上的硅片供应不足，使得下游的晶圆代工企业处于无米下锅的境地，从而难以满足广大IC设计和IDM客户的需求，价格自然水涨船高。

有强劲的需求，自然就会有产能的扩充。据悉，目前在积极扩产8英寸硅片的主要有合晶科技、Ferrotec，还有AST（超硅）、Gritek（有研新材）、JRH（金瑞泓）等。

郑州合晶硅材料生产项目于2017年7月动工，一期规划每月20万片的8英寸硅片产能。2017年中，环球晶圆与Ferrotec宣布合作，Ferrotec负责生产8英寸硅片，环球晶圆出技术并保证品质，规划三期，每期规划月产能增加15万片。

8英寸晶圆代工厂减少

据统计，从2008到2016年，有37座8英寸晶圆代工厂关闭，同时有15座厂从8英寸转换为12英寸，截至2016年，全球8英寸晶圆代工厂已减少至180座左右。

而据SEMI统计，全球8英寸晶圆厂产能增长速度极低，2015~2017年仅增长约7%。

另外，部分6英寸产线关闭，将产能转单至8英寸线。2010~2016年间，约有25座6英寸晶圆厂关闭，相应产能减少约453 k wpm（换算为8英寸），而6英寸线产能减少之后，原产线的产品（如分立器件、功率器件、MEMS、模拟芯片）将会切换至8英寸晶圆产线。

晶圆代工产能与交期吃紧

目前，全球8英寸晶圆代工线产能利用率逼近100%，而产能拓展潜力有限，受此影响，与2017年Q2相比，今年同期主要半导体元器件的交货时间明显延长，与前几个季度相比，模拟器件、传感器、分立器件和32位MCU等交货时间均增加，最紧张的交货时间已延长至 40~50周。

digitimes的数据显示，***地区主要晶圆代工产能利用率不断增长，截至今年6月，产能利用率为94.7%，同比增长了1.3%。当前***地区主要晶圆代工厂8英寸线产能约为1100~1200 千片/月。

目前，大部分的模拟、分立器件市场由IDM大厂把持，如英飞凌、德州仪器（TI）等，但因产能有限，这些IDM通常会将订单外包给Foundry代工厂，同时，在从6英寸转向8英寸过程中，部分IDM的主要产能专注于12英寸线，没有额外增添8英寸线，这样就不得不将 8英寸产品外包。因此，大部分IDM扩产幅度比需求增长幅度低，外包的比例会越来越高， 这样就加剧了Foundry厂订单供不应求的局面。

据统计，在2017 年，8英寸晶圆代工主力华虹半导体的 8吋晶圆产能为168K/月，中芯国际的产能为234K/月，占晶圆总产能的比例超过40%。

而台积电的8英寸晶圆代工产能占其总产能的比例约为14%；联电方面，其官方在上个月曾经表示，该公司的8英寸晶圆代工产能供不应求，已开始一次性涨价。此外，联电在大陆的8吋厂——和舰将启动3年多来最大规模扩产，幅度达 15%，预计将在2019年Q 2完成。

在功率器件方面，大陆的扬杰科技收益颇丰。在其6英寸产线的基础上，该公司正在积极规划8英寸线，同时在储备8英寸晶圆和IGBT技术人才。

设备供给不足

前文多处提到，市场对8英寸晶圆厂使用的设备供应不足，也是导致产能吃紧的一个重要原因。

由于多数8英寸晶圆代工建厂时间较早，运行时间大多长达10年以上，部分设备太老旧或者难以修复，同时，由于当前12英寸晶圆代工厂资本支出规模巨大，部分厂商停止了8英寸晶圆产线，使得相关设备供应商缺乏研发和生产相关设备的积极性。

目前，8英寸晶圆代工产线设备主要来自二手市场，多来自从8英寸向12英寸升级的内存厂商，如三星和海力士，而旧设备市场资源有限，已经呈现出逐渐枯竭的态势，其中，蚀刻机、光刻机、测量设备最为抢手。

结语

综上，需求端的火爆与强劲增长，以及供给侧（硅片、晶圆代工产能和设备供给等）的不足，共同造就了最近两年8英寸晶圆市场供不应求的局面。而从目前及可预见未来的情况来看，这种状况还难以得到缓解。

不过，从另一层面来看，这种火热的市场行情显示出半导体业积极和具有活力的一面，能引起更多的关注，增加信心，可操作的空间也会更大。这些对于中国半导体产业来说不无裨益。