概述
硅晶圆为许多先进半导体产品的制造提供了基础，而这些产品又为半导体行业的形成奠定了基础。几年来，硅片的尺寸和直径逐渐发生变化。这最终引发了新一波关于超越当前晶圆尺寸的讨论，主要是由于对先进半导体产品的需求不断增加，主要是作为提高新半导体 FAB 和 OSAT 生产速度的一种手段。目前，200毫米（7.9/8英寸）晶圆是大多数FAB和OSAT的重点，少数集中在300毫米（11.8/12英寸）晶圆。最后，晶圆尺寸的选择更多的是投资和战略驱动，而不是技术驱动。这是因为晶圆尺寸的每次变化都会影响整个端到端半导体流程。
由于物联网 (IoT)、移动和汽车应用需求的发展，对 200 毫米容量的需求不断增加。这些应用正在复兴 200 mm 生产，并推动对电源、模拟、MEMS 和传感器等组件的需求。它们不需要尖端的制造工艺。不同的集成器件制造商 (IDM) 正在转向包括 GaN 和 SiC 在内的第三代半导体的 8 英寸晶圆生产。
晶圆尺寸对半导体行业的影响
决定 FAB 和 OSAT 结构的一个关键因素是晶圆尺寸。主要原因是所需的工具和设备取决于晶圆的尺寸，并且随着晶圆尺寸的增加，建立额外的 FAB 和 OSAT 的费用也会增加。因此，选择合适的晶圆尺寸至关重要。晶圆尺寸的选择最终更多的是战略和投资驱动，而不是技术驱动。这是因为晶圆尺寸的每次变化都会影响半导体流程从开始到结束的过程。
以下几点明确展示了晶圆尺寸如何影响半导体工艺的多个方面。在确定使用哪种晶圆尺寸来制造下一代产品时，需要考虑许多因素，从成本到产量。
图 1：确定晶圆尺寸时考虑的因素
晶圆尺寸： 毫无疑问，晶圆尺寸越大，单位面积上芯片数量就越多。制造更多芯片所需的面积越大，最终使 FAB 和 OSAT 能够在给定时间内制造和测试/组装更多芯片。这加快了新产品的制造或组装速度，在某些情况下，当晶圆尺寸增加时，也可能使供应链受益。
每晶圆芯片： 每个晶圆的芯片数量与晶圆尺寸直接相关，因为它使半导体设计公司能够估计成本降低量。最终，与较大尺寸的晶圆相比，针对高需求产品的较小晶圆将导致更多晶圆订单的最大化。因此，由于这种微妙的平衡行为，公司经常需要投入更多时间从商业角度权衡使用晶圆的利弊。
程序： 由于晶圆尺寸被认为是最重要的参数，因此半导体制造工厂必须提前规划并确定未来五到十年将支持哪些晶圆尺寸。主要考虑因素是设置每次晶圆尺寸升级所需的工艺的费用。大多数半导体工厂都专注于 200 毫米（7.9/8 英寸）晶圆，因为它们可以实现技术和业务方面的平衡。然而，300 毫米（11.8/12 英寸）的要求正迫使 FAB 和 OSAT 进行现代化改造。
成本： 成本因素也被认为是开发半导体产品最重要的因素之一，因为它由晶圆尺寸决定。除了晶圆成本外，还必须考虑 FAB 和 OSAT 费用。与 300 毫米（11.8/12 英寸）晶圆相比，使用 200 毫米（7.9/8 英寸）晶圆生产和组装半导体芯片的成本无疑会更低。最终，关键是通过选择合适的晶圆尺寸来创造利润。
屈服： 从历史上看，产量随着晶圆尺寸的增加而下降。当产品在 200 毫米（7.9/8 英寸）晶圆上制造而不是在 300 毫米（11.8/12 英寸）晶圆上制造时，前者的良率会较低。最终的良率最终将具有可比性，但随着晶圆尺寸的增加，良率将下降，主要是因为完善半导体工艺需要更长的时间。随着越来越多的产品使用相同的晶圆尺寸，该工艺得到改进，因为吸取的经验教训可以用来提高总产品产量。最终产量也很大程度上受到晶圆处理的影响，并且随着晶圆尺寸的增加，由于每个给定面积的芯片数量巨大，减少工艺步骤的数量变得更具挑战性。
由于电动和混合动力汽车对半导体部件的需求不断增长，半导体制造设备市场出现了大幅增长。此外，FAB 建设制造单位的增加补充了预测期内的增长。根据 Data Bridge Market Research 的分析，全球半导体制造设备市场预计将在 2022 年至 2030 年期间以 9.5% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。
要了解有关该研究的更多信息，请访问：https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-semiconductor-manufacturing-equipment-market
重点介绍不同应用中的芯片使用情况
据SEMI称，随着行业接近每月超过770万片晶圆（wpm）的高产量，全球半导体制造商预计将在2023年至2026年期间将200毫米晶圆厂产能提高14%，增加12座新的200毫米产能FAB（不包括EPI）。
200毫米投资的主要驱动力是功率和化合物半导体，它们对于汽车、工业和消费领域至关重要。随着电动汽车使用量的增加，预计动力总成逆变器和电动汽车充电站的发展将推动全球 200 毫米晶圆产能的增加。尽管汽车芯片的供应已经稳定，但电动汽车中芯片含量的不断增加以及缩短充电时间的愿望正在推动产能扩张。
为了满足未来的需求，意法半导体、博世、富士电机、英飞凌、三菱、Onsemi、罗姆和Wolfspeed等芯片供应商正在加快其200mm产能项目。
近年来，全球 SiC 功率半导体市场经历了大幅增长，其中一个原因是发展中国家消费电子、汽车和工业等各个行业对电力电子的需求不断增长。这主要归功于其多种优势，包括紧凑的设计、简化的电路、承受高电流和电压的能力。根据 Data Bridge Market Research 的分析，全球 SiC 功率半导体市场预计将在 2022 年至 2030 年期间以 9.5% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。
要了解有关该研究的更多信息，请访问：https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-sic-power-semiconductor-market
鉴于汽车市场的强劲需求，制造商有强烈的动机缩短交货时间。成熟的 FAB 生产 6 英寸和 8 英寸晶圆，主要用于不同的汽车电子控制单元，他们可能会发现这很有挑战性。这些晶圆通常较旧且效率较低。通过提高自动化程度和通过新设施和工具设置增加产量可以缩短生产时间，但即使在现代设施中，这些策略也很难采用且耗时。成熟的工厂可以采用更严格、更全面的策略，专注于四项基本任务以更快地提高产量：提高整体设备效率 (OEE)、主动控制劳动力、降低基础设施风险以及动态管理绩效。
根据 SEMI 2026 年 200mm 晶圆厂展望报告，2023 年至 2026 年间，功率和汽车半导体晶圆厂产能将增长 34%。MEMS、模拟和晶圆代工厂将分列第三和第四，分别为 8%、6% 和 8%。 %，分别落后于微处理器单元/微控制器单元 (MPU/MCU)，为 21%。
区域洞察
2021年COVID-19疫情高峰期间，美国经历了突然而严重的半导体短缺。许多重要企业都受到了这种短缺的严重影响，包括消费电子产品、家用电器、可再生能源和汽车。资金短缺造成了严重的财务影响；美国商务部估计，当年美国经济增长减少了近四分之一万亿美元。
除了财务影响之外，芯片短缺还暴露了许多美国企业对亚洲制造的半导体的依赖程度。这场流行病是一次令人不快的觉醒，一次剧烈的冲击。由于该国广泛依赖亚洲制造的半导体，该国经济很容易受到不可预见事件的影响。
《创造有益的激励措施以促进半导体生产和科学法案》（CHIPS 法案）就是在经济影响下制定的。《CHIPS 法案》于 2022 年 8 月 9 日签署成为法律，白宫当时在一份新闻声明中表示，该法案拨款约 530 亿美元用于推进“美国半导体研究、开发、制造和劳动力发展”。
欧盟于 2023 年 4 月公布了类似的战略。《欧洲芯片法案》的具体目标是通过向半导体行业拨款 430 亿欧元（约合 470 亿美元），到 2030 年将半导体行业的全球市场份额从 10% 翻一番至 20%。 27个成员国。
为了在半导体制造方面获得更多独立性，欧洲和美国目前正在启动大规模建设项目，建设自己的半导体制造设施。
例如，
为了使经济更能抵御未来地缘政治危机，美国和欧洲国家正在加强供应链并增加国内制造的芯片数量。
图 2：按地区划分的 200 毫米等效新产能（2022-2025 年）
资料来源：DBMR 分析
根据Data Bridge Market Research的分析，与欧洲、中东和美洲等其他地区相比，亚太地区在200毫米和300毫米晶圆厂产能方面占据着主要份额。这主要归功于先进的基础设施、市场参与者的大量存在、对研发的强劲投资以及政府对采用的严格举措等。此外，亚太地区被认为是最大的半导体市场，其中包括中国、台湾和日本等国家。
图 3：按地区划分的 200 毫米新产能市场份额预估（2022-2025 年）
资料来源：DBMR 分析
在制造业方面，中国在 300 毫米以及 200 和 150 毫米产能扩张方面的投资仍然处于领先地位。主要功率 IDM 正在建设新的 300mm 生产线，或扩展现有生产线。该生态系统包括博世、东芝、英飞凌科技和安世半导体等公司。全球有几条 200 毫米生产线正在建设中，并且 150 毫米生产线正在转换为 200 毫米。除此之外，争夺 200mm SiC 产能的功率 IDM 包括 Wolfspeed、Infineon Technologies、CRCC 等。
不同制造商为提高产能而采取的举措
以下是不同制造商为提高产能而采取的一些战略举措：
近年来，由于政府对电动汽车（EV）的举措不断增加、电动汽车电池价格下降、公共和私人电动汽车充电的发展、电动汽车充电技术的进步等多种因素，全球电动汽车市场正在显着增长。无线意味着还有更多。据Data Bridge Market Research分析，预计2023年至2030年全球电动汽车市场将以20.35%的复合年增长率（CAGR）增长。
要了解有关该研究的更多信息，请访问：https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-electric-vehicle-market
未来半导体行业迈向新晶圆尺寸的建议
持续的半导体稀缺危机也引发了关于扩大设备和追求目前生产的最大晶圆尺寸 300 毫米（11.8/12 英寸）的讨论。
这就要求所有未来的 FAB 和 OSAT 设计都选择 300 毫米甚至 450 毫米（17.7/18 英寸），而这些尺寸尚未用于全面制造。主要争论点是，通过为 FAB 和 OSAT 提供在单位空间生产更多芯片的方法，他们可以提高产能。为此无疑需要一笔巨大的支出，很少有FAB/OSAT会选择大于200毫米（7.9/8英寸）的晶圆。
鉴于对半导体器件的依赖日益增加，晶圆尺寸是半导体行业应考虑的另一个因素。建立更多的 FAB 和 OSAT 并为其配备以满足未来的需求是消除任何导致短缺的未来需求的最有效策略。 FAB/OSAT 现在应该开始规划 450 mm，即使它们首先建造并配备了 200 mm 或 300 mm 晶圆。通过采取这样的计划，FAB和OSAT将为未来的需求做好准备，这无疑可能超过在不久的将来可获得的总产能。
需要采取强有力的措施来鼓励使用比现在制造的晶圆尺寸大得多的晶圆，主要是 450 毫米。下面的路线图全面解释了为什么应该在更大晶圆尺寸的方向上采取不同行动的原因。
容量： 鉴于半导体的稀缺性，当今基于各种晶圆尺寸的产能无疑是不够的。增加FAB和OSAT的数量无疑会增加产能，但不如增加晶圆尺寸那么大。生产半导体的公司必须考虑推迟升级到更大晶圆尺寸的长期成本。 300毫米范围内的晶圆FAB/OSAT可以作为起点，并且可以达到450毫米。
FAB-LITE： 开发一些专门服务于未来巨大晶圆尺寸的专门半导体 FAB 和 OSAT 是管理晶圆尺寸的另一个策略。这些设施可能专门用于尺寸为 450 或 675 毫米（26.6/27 英寸）的晶圆 FAB/OSAT。根据该规划，新大楼未来将作为更大尺寸晶圆的研发中心。随着技术的进步，通过使用这些更大的晶圆尺寸来降低成本，大规模制造将成为可能。
合作： 建立可加工更大晶圆尺寸的 FAB 和 OSAT 成本高昂。将不同的制造商聚集在一起并投资于为不同客户提供服务的基于集群的设施是减少这一费用的唯一选择。虽然知识产权和其他机密问题无疑会由此产生，但如果没有合作，专注于更大晶圆尺寸的产能就无法增加。
目标节点： 对于特定的技术节点，也可以采用更大的晶圆尺寸。通过这种方法，可以平衡必要的投资和制造成本。与即将推出的新技术相比，工艺更可靠的旧节点可能是最合适的节点。这无疑也可以鼓励使用更大的晶圆尺寸。
效率： 最终，通过在相同的时间内运输更多的零件，更大的晶圆尺寸可以提高效率。只要生产技术经济，总成本和投资就会持平。这只是半导体行业支持更大晶圆尺寸的另一个论据。
结论
8英寸晶圆产能不足主要是由于对这些混合信号处理器和功率器件的需求持续增长。由于8英寸晶圆的供应量处于历史最高水平，晶圆代工厂似乎将扩大产能。此外，代工厂有兴趣向IDM采购8英寸生产线及相关机械。据观察，目前生产8英寸半导体设备的供应商很少，这意味着该设备的价格突然上涨，从2019年开始就出现了严重的稀缺。这导致一些代工厂提高了8英寸的价格。向客户提供英寸晶圆。
据见证，某些 IC 生产商正在将其当前的设计从 180 nm 和 350 nm 的 8 英寸生产线转移到 12 英寸晶圆的新生产线。此外，大量代工厂提供在 12 英寸晶圆上生产的适当 130 nm 工艺，可用作备用或主要来源，以满足未来的产能需求并使供应链在地理上多样化。
目前在 8 英寸晶圆上使用硅的组织应优先评估其未来需求，因为当前的短缺应被视为一个警告。如果需要大量产能，他们应该考虑迁移到 12 英寸节点，并给自己时间在主要或次要来源生产工厂完成该流程
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