貿易戰/疫情影響下的中國IC製造及封測產業趨勢

作者 : Yorbe Zhang,EDN China

經過10多年的高速發展,如果將IC設計業放在中部,中國半導體的構成由10多年前的啞鈴型,亦即製造和封測各佔據兩側的大頭,演變成橄欖球型,IC設計業佔據了中間主要部分。

經過10多年的高速發展,如果將IC設計業放在中部,中國半導體的構成由10多年前的啞鈴型,亦即製造和封測各佔據兩側的大頭,演變成橄欖球型,IC設計業佔據了中間主要部分。

受中美貿易戰,以及新冠疫情的雙重影響,啞鈴兩側的製造業和封測業再度引起熱議,表現之一是成為部分元件缺貨、漲價背後進一步的原因,且因8吋晶圓產能持續緊張影響,MOSFET、驅動IC、電源管理IC等元件紛紛傳來漲價消息。而自從iPhone 12上市後,晶片缺貨風波更是在消費類電源領域大肆擴散,蔓延到了TWS藍牙耳機領域,市場對於TWS耳機的強勁需求也加劇了主控晶片和相關觸控晶片缺貨的情況。

據《國際電子商情》報導,全球晶圓代工產能供不應求,包括台積電、聯電等代工廠2020年4季度訂單滿載;同期,受全球疫情的影響,部分境外封測廠無法提供滿載產能。

中國半導體封測業最近的一大變化是將合一化的封測業細化成封裝以及測試兩個產業。

晶圓代工產能供不應求,部分代工廠也在按照供需關係調漲價格。11月26日,中芯國際回應投資者提問是否對8吋晶圓代工提價時就曾表示,現有客戶訂單將按已簽訂約進行,新客戶、新專案則由雙方協商確定價格,該公司也會透過最佳化產品組合來提升平均晶圓價格。

有分析認為,在晶圓擴產設備先行背景下,明年全球晶圓代工產能擴張確定性高。根據SEMI資料,未來4年晶圓產能擴張將延續,至2024年每月晶圓產能將增長35%。

在2020 ICCAD會議期間,EDN和EE Times China採訪了台積電(中國)副總經理陳平、聯華電子(UMC)旗下和艦晶片製造(蘇州)銷售副總經理林偉聖、廣東利揚晶片測試(LEADYO) CEO張亦鋒、摩爾精英(MooreElite)董事長暨CEO張競揚,以及南京積體電路產業服務中心(IcisC)副總經理和南京積體電路大學校長助理呂會軍。

製造篇

台積電:發力先進製程,三個因素疊加造成缺貨

今年在新冠疫情和中美貿易摩擦的雙重壓力下,全球經濟面臨挑戰,但半導體產業卻異常火熱,尤其是晶圓代工廠。以台積電為例,2020年前九個月的營收相比去年同期有31%的成長,第四季也持續了這種景象,預計全年將實現30%以上的成長。

台積電(中國)副總經理陳平

台積電(中國)副總經理陳平

半導體產業已多年未有如此幅度的成長,距離上次是十年前,彼時剛從金融危機中恢復。但對這個幅度的成長,台積電已有所準備,陳平說:「我司去年進行2020年規劃的時候,確實有所預期。」

當前全球對半導體的需求在大幅增加。以智慧型手機為例,雖然總出貨量並無顯著變化,但每一支手機裡用到的晶片數量卻成長了很多。台積電根據這些科技訊息量化了產能預期,但仍無法完全滿足目前火熱的市場需求。在先進製程上,台積電也有不錯進展,5nm不僅順利量產,而且因5nm而新增的客戶,比7nm剛進入量產的時候還多,預期3nm會更多,可見業界對先進製程的渴望在逐年遞增。

對於2020年下半年以來的嚴重缺貨情況,陳平認為是由三個因素疊加造成:

第一,即使不發生新冠、禁運這類突發事件,今年的半導體需求也很旺盛。2016年以後行動運算的拉動作用雖有所弱化,但是近年來隨著5G、人工智慧(AI)及物聯網(IoT)的發展,市場對晶片的需求又在迅速提高,一個普及運算(Ubiquitous Computing)的時代正在來臨。

第二,上半年因疫情很多地區物流阻斷,OEM在該期間無法正常備貨,另外,各類遠端辦公、教育,以及資料中心擴容造成各類終端市場的需求猛增。這導致到下半年,市場的需求在晶圓代工廠這個環節被放大,而缺貨的情形進一步造就了市場恐慌,進而激進囤貨,以比正常庫存天數1.5倍甚至2倍的規劃建庫存以尋求供應安全。

第三,是由地緣政治和與之引起的產業鏈移動所造成。對於數位晶片廠商來說,由於本來就大都在晶圓代工廠生產,即便供應鏈發生平移對全球總產能需求來說不會有太大變化。但是對類比廠商影響較大,因為傳統類比IDM大廠多在美國。以往由於類比元件種類多單價低的特點,決定了大部分OEM不輕易冒險更換供應商,但這次由於地緣政治原因許多中國OEM選擇轉向亞洲的無晶圓廠(fabless),而fabless需要代工進行製造,這在對代工廠產能需求上帶來了較大影響。

陳平表示:「三個因素疊加起來就讓產能缺得很離譜。至於多久水分會擠掉?擠掉以後水位在哪兒?這都是要持續關注。」但據陳平預測,即便是擠掉了水分,需求仍然旺盛,因為這個水位是在原本就很高的需求上累加的,所以消除時間會比較長。

台積電一直基於產品類型進行分類。「例如,幾年前如果要預估物聯網類晶片什麼時候啟動,可能還估不出來,因為不知道如何發生?在哪裡發生?但是今年的市場讓我們看到一些以前預期會啟動的晶片真真實實地起來了。」陳平提到,「今年的訂單產品分佈跟以前不一樣,智慧型手機晶片的量沒有減少,比例卻在下降,原因是其他類型的晶片訂單增加了。這也印證了對即將會進入普及運算時代的預期。」

2020年的美國制裁華為事件,讓大家都想知道,要建立一條不含美國技術的產線,難度在哪裡?究竟有多難?

陳平曾經是製程工程師,在美國頂尖的實驗室進行製程研發多年。他認為半導體製程是一門非常強調實驗的科學。「一個科學家一輩子可能也搞不清楚裡面所有的科學原理,需要很多人共同配合做產品、做實驗、分析資料。」

他認為,製程工程師都有一個共同的經驗,即選對了設備,離成功就近了;選錯了設備,就會很辛苦。因此選擇生產設備是製程研發中很重要的一環,但由於設備是設備廠商基於全球最頂尖的技術研發生產,其中不少確實來自美國,所以要建造一條完全不含美國技術的高品質產線,具相當的挑戰。

針對半導體技術依賴人才的培養,陳平表示不太同意中國大學沒有培養足夠半導體人才的說法。以他的個人經歷為例,他在中國大學本科就讀電子系,碩士攻讀射頻,在美國讀博士才進入半導體相關專業。「半導體是一門綜合性的學科,除了微電子專業學生外,中國大學培養的化工、材料、物理、機械專業的學生都可以成為半導體人才。即便做晶片設計的,也不一定要在大學裡就是學設計,只要有好的基本素養且願意學習,成為專業的人才也很快。」

和艦:解決產能問題,8吋和12吋策略不同

聯華電子創立於1980年,是台灣第一家IC公司,1995年轉型為晶圓代工服務。今年是聯華電子成立40周年,該公司在2017年宣佈了一個重大的業務決策,不追逐12nm以下先進製程投資,專注特色製程。據悉,今明兩年聯華電子會繼續擴增28與22nm產能,作為聯華電子子公司,聯芯與和艦也將很大程度上承擔起產能擴增的任務。

和艦晶片製造(蘇州)銷售副總經理林偉聖

和艦晶片製造(蘇州)銷售副總經理林偉聖

談到今年的缺貨潮,林偉聖認為主要原因是:第一是供應鏈安全。過去兩年美國方面的技術封鎖,為了保證未來很長一段時間有晶片可用,中國系統廠商在2020年下半年備貨時把供應鏈安全放在了第一位,在操作庫存時採取了比較積極的做法。

第二是新冠肺炎的影響,疫情使整個東南亞和印度等地加工鏈變得不穩定,而這時中國的加工鏈最健全,海外加工訂單也在今年回流。這塊的需求很大,但回流的訂單為晶圓代工環節造成了壓力,產能擴充無法及時跟進。

第三點是終端應用驅動,5G、智慧家庭與居家上班上課,最明顯就是支援5G的手機。由於華為高階晶片製造受阻,中國其他手機廠商們都認為有機會獲得市場領導地位,在下單備貨上也甚是積極。

從目前客戶的下單狀況看,林偉聖預測需求會延續到明年,明年上半年還將持續比較緊繃的狀態。各個不同製程節點都有不同應用需求,比如8吋的電源管理晶片和MCU晶片,尤其是MCU產能短缺嚴重,「我們也感受到終端系統廠商給的壓力,」他表示,「12吋產能短缺的狀況和今年疫情有關。大家久居家中,需要更新的電子設備,智慧家庭、電視、手機、平板電腦的需求都得以提升。這一波換機潮還在延續,尤其是針對NB/PC的需求仍在增長。海外方面,耶誕節的備貨已經完畢,中國市場目前的備貨主要是為了春節市場,在備貨力度上也比往年強得多。」

如何擴產以解燃眉之急?林偉聖認為要分8吋和12吋來看:8吋的晶圓廠如果有機會,合併整個工廠更合適。8吋既有工廠擴充產線,一是設備取得不易,二是目前8吋平均售價,無法反映新建8吋廠的投資報酬率;12吋線,以增加28nm和22nm等急需且成熟的產能為主。

另外,將8吋產品反覆運算到12吋,也可以緩解8吋的緊缺。以電源管理晶片的發展為例,發展分三個檔次:從低壓到30V、30~100V,以及100~700V。對應市場的規模,低壓到30V佔60%,30~100V接近22%,100~700V接近18%。在製程節點上也分三個檔次,第一個是目前採用最多的8吋的0.25微米或0.35微米,第二個是0.11到0.18微米,第三個是90nm或50nm。如何反覆運算?可參考晶片數位部分所佔的面積:如果小於30%,0.25~0.35微米可行,30~60%可用0.11~0.18微米,增加到60%就需要12吋。目前,中國大部分電源管理晶片均採用8吋、0.25~0.35微米製程,部分已經做到0.11~0.18微米,而海外歐美公司已經在研發12吋的55nm BCD製程,針對高階的電源數位化晶片。

封測篇

IC封測業是中國整個半導體產業中發展最早的,隨著中國國家大基金一、二期的陸續投入,封測的價值將得到更大提升,一些中國本土廠商規模已不輸國際大廠。從2009~2019年十年間的前十大封測廠商排名變化,可以發現全球封測產業在近年來垂直、水準整合的速度正在加劇,而中國廠商已佔三成,足以證明中國封測業這些年來的飛速發展。

中國半導體封測業最近的一大變化是將合一的封測業細化成封裝,以及測試兩個產業。封裝是保護晶片免受物理、化學等環境因素造成的損傷,增強晶片的散熱性能,實現電氣連接,確保電路正常工作;測試主要是對晶片產品的功能、性能測試等,將功能、性能不符合要求的產品篩選出來。

利揚晶片:測試細分是未來趨勢

利揚晶片是中國的獨立協力廠商IC測試服務商,主營業務包括IC測試方案開發、晶圓測試服務、晶片成品測試服務,以及與IC測試相關的配套服務。與傳統封測公司不同,利揚晶片專注於晶片測試服務,進入了中國封測企業前十排名,且是唯一一家以專業IC測試服務進入前十強的公司。今年11月11日,利揚晶片在上交所成功登陸科創版。

利揚晶片CEO張亦鋒

利揚晶片CEO張亦鋒

以往的消費類電子或者玩具類產品的晶片,對品質要求不高,對專業測試服務依賴程度也不高。但隨著晶片功能越來越複雜,尤其是高階晶片的出現,專業測試服務在晶片整體成本的佔比也會越來越高,張亦鋒預估會達到6~8%。當前晶片測試的功能分佈很散,基本上由全產業鏈共同承擔。晶圓代工廠有測試,封裝廠有測試,甚至部分設計公司也自建測試能力,抑或外包給台灣和東南亞的專業測試工廠。

但張亦鋒認為,協力廠商測試服務是一個更專業的分工,且不同於封裝廠提供的測試服務,專業的事交給專業的人做,對產業發展會更加有利。近期中國國務院發佈的8號文,第一次把「封測」分成了「封裝」和「測試」,過去設計、封裝、測試都屬於製造業,現在晶圓製造和封裝屬於製造業,而晶片測試則劃分為高階技術服務類。「所以跟傳統的封測一體公司相比,封測公司更專注於封裝的物理加工過程,會更多的投入先進封裝技術的研發,而測試服務更專注於晶片電性能的量測,屬於截然不同的兩個領域。」

在晶片設計複雜度不斷提升的今天,新型晶片需要新的測試方法。張亦鋒舉了兩個例子,中國某指紋辨識晶片龍頭前期做晶片成品的FT(Final Test)測試時,傳統的測試方法是用Handler機械手抓取晶片擺放到測試機上進行測試,但由於產品是條帶狀的,中國找不到合適的Handler,也沒有相應的產能滿足需求,於是利揚晶片急客戶所急,用三十幾台Prober探針台設備,採用測晶圓的方式,在晶圓上挖一個孔露出條帶晶片來測試。正因為這樣不惜成本的把產品測出來,從而協助客戶在第一時間投放市場,並佔據了該高階市場的領先地位。

另一個例子是一款三星8nm製程的礦機用運算力晶片,晶片以數位為主,設計雖然不難,但在測試篩選上卻有很大難點,需將300顆晶片串聯並聯在一起工作,從而實現最高運算力。「這裡面涉及到木桶效應,如果某一個晶片差一點,可能整體性能就差了一大截。」張亦鋒解釋,「透過我們客製專用設備,並設計創造性的設計全套測試解決方案,把性能指標完全一致的管芯都篩選出來,這樣性能最佳的礦機成品可賣人民幣2萬元,只有一半性能的一批組裝起來可能賣人民幣5,000元,但是如果所有晶片都混在一起就只能賣人民幣7,000元,甚至都沒人買。如何幫客戶把一些本來都應該報廢的晶片撿回來,變廢為寶,是最能體現測試增值服務的地方。」

利揚晶片成立十年以來,專注於測試方案的研發,已獲得100多項專利。但中國某大型封測廠申請了1,500多項專利,其中只有4項與測試相關,且都是實用新型專利。張亦鋒說到:「半導體產業裡面最成功的商業模式就是專業分工,產業規模決定了分工的深度。原來因為中國測試產業發展不均衡,佔比也小,不得已由產業鏈上下游共同承擔,沒得選擇只好順帶做了。但是隨著產業規模的加大,未來這個專業分工也會分得更細一些。」

目前利揚晶片著眼於服務中國新興的IC設計公司,更多的專注於數位類和大數位小類比晶片的測試,這類產品對測試服務的依賴程度相對更大,測試服務才能發揮最大作用,更能提供額外附加價值的晶片測試服務。利揚晶片是登陸科創板的第28家IC企業。此次的募集資金將主要用於研發中心建設及設備購買、擴充產能。利揚晶片未來將專注感測器、記憶體,以及人工智慧高運算力晶片產品三大新興領域,加大測試研發投入。張亦鋒表示:「目前我們擁有33大類測試方案,量產測試的晶片超過3,000多種,服務了超過150家中國晶片設計客戶,包括中國的匯頂科技、全志科技、比特微、西南集成等知名企業。」

摩爾精英:一站式晶片服務平台已成型

成立於五年前的摩爾精英,公司定位是「一站式晶片設計和供應鏈平台」,主要是為中小晶片公司提供全流程配套服務。當前中國2,200多家晶片公司中,87%公司不到100人,不到人民幣1億元營收,這些公司想建構完整團隊自己做完晶片的設計、製造、封裝、測試是有困難的。張競揚表示,「摩爾精英平台可以服務於這些晶片公司,以客戶需求為中心,用解決方案整合供應商資源,為客戶提供省心的一站式解決方案,讓晶片公司專注自己的設計。

摩爾精英董事長暨CEO張競揚

摩爾精英董事長暨CEO張競揚

據張競揚介紹,2020年摩爾精英主要的有三大動作:

第一,收購海外ATE測試設備專案,十多位元資深國際專家也隨之加入。ATE測試設備目前是中國短處,透過這項收購摩爾精英成為了中國領先的ATE測試設備廠商之一,基於自主設備的晶片測試服務能夠帶來更靈活的產能和更低的單位測試成本。張競揚透露,根據某中國前三的晶片公司客戶1,000多萬顆產品實測資料,晶片單位測試成本可下降50%。

第二,自建封裝廠和工程中心。摩爾精英從2018年開始自建快速封裝基地,首期快封工程中心自2019年開業後就一直滿產能,2021年將會陸續開展二期、三期的建設,主要協助中小公司提供晶片的封裝打樣、小批量量產和系統級封裝(SiP)服務。張競揚說到:「今年包括封裝測試在內的晶片產能都很緊張,中小客戶很難爭取到產能,摩爾精英封裝工程中心明年有1億顆的左右的SiP量產和測試產能,能幫助這些中小企業走過產品驗證的階段。」

第三,與各公有雲廠商合作晶片設計上雲,建構數位化EDA生態系統。傳統的晶片設計模式,是由企業自己採購設備,自己配備專門的CAD團隊,進行環境部署和維護,但中小型或者新創晶片設計企業,難以承受高額的設備採購支出和CAD團隊建構及維護的成本,也缺乏靈活性和適配性。摩爾精英與雲端服務商一起,共同建構數位化的EDA生態系統,加速客戶數位化轉型,助力眾多中小晶片設計企業獲取更多資源,提升設計效率。

據介紹,二期、三期封裝基地建好以後,會和物聯網應用緊密結合,以SiP封裝為主。物聯網很多垂直應用就是一兩百萬的量,以前用分離的晶片很容易被抄襲,用SiP封裝可以建立防抄襲的產品護城河,但是訂單量太小封裝大廠又不願意接單(一般要求是1,000萬顆以上)。「所以我們接到了大量需求,現在最複雜的一顆晶片封裝中有200多個元件。」張競揚說。

「採用我們的服務,客戶進行產品切換會更加方便,因為它不需要考慮學習成本、使用成本,只要把產品給我,我就開發產品的方案和後面的量產測試,無縫銜接。」摩爾精英希望通過引進自主可控的ATE測試設備,在封裝測試領域給新創晶片公司提供更加靈活的產能和差異化服務。

對於今年整個產業的缺貨現象,以及疫情和中美關係造成的供應鏈重組,張競揚認為現在缺貨和大家瘋狂搶產能裡確實有泡沫,主要有三個原因…

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