【导读】在5G、物联网、电动车与绿能的趋势下，模拟元件有望迎来其黄金的年代，无论是IDM厂或是晶圆代工业者，都能在这波成长中此获利。 8英寸厂有成本与供应链的竞争力，12英寸厂则有产能优势，但各自有适合的对象。
在5G、物联网、电动车与绿能的趋势下，模拟元件有望迎来其黄金的年代，无论是IDM厂或是晶圆代工业者，都能在这波成长中此获利。 8英寸厂有成本与供应链的竞争力，12英寸厂则有产能优势，但各自有适合的对象。
图一 : 去年底台积宣布，将在南科6厂旁建置一座新的8英寸晶圆厂。
去年底（2018），台积公司宣布了一项令人意外的投资案，计划将在台南科学园区兴建一座新的8英寸晶圆厂。这是他们自2003年在上海建8英寸厂之后，再次投建新的8英寸晶圆产能。其理由也相当清楚明白，就是特殊制程的需求强烈，需要更多的客制化产线。
图二 : 全球8英寸厂（200mm）产能预估。 （source: SEMI）
依据台积的计划，新的8英寸厂预计将在2020年完工，并投入量产的行列。台积总裁魏哲家也解释，新8英寸厂以满足客户特殊制程的需求为主，主要的应用产品，如模拟芯片、传感器、驱动芯片及MOSFET等功率元件。
而从应用面大致就可以看出，其生产的芯片以模拟的感测与电源的功率应用为多，也就是目前IoT感测装置、电动车和绿能设备为主要的对应终端。
成本与制程弹性 8英寸厂受业者青睐
至于模拟的特色是什么？又为何会选择8英寸厂来生产？就是本文的重点，因为在当前的趋势推动下，扩展8英寸晶圆的产能，也许会是最佳的竞争策略。
首先，就是微缩制程的不同。相较于逻辑芯片，多数的模拟芯片制程都是属于微米（μm）等级，部分较先进的产品，也大致只会到约60纳米（nm）上下，因此所使用的生产设备与仪器，与CMOS逻辑芯片有着相当程度的不同。
再者，就是客制化的特殊制程偏多。由于逻辑芯片多是通用性的架构设计，例如存储器和处理器，在制造上较易导入大量生产。模拟芯片彼此间有很大的差异性，尤其是电源和无线芯片，它们有面对高频与高压的考量，在电路的规划上相当不同。
也因此，一般的模拟和功率元件的生产设备都是以8英寸或者6英寸的规格来考量，鲜少有直接提供12英寸规模的设备。故若要建置12英寸的模拟芯片厂房，则需要与设备商紧密的合作，并且克服尺寸放大后的各种良率挑战，才进到拥有经济效益的量产阶段。而这并不是件短时间能做到的事。
图三 : 氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这类新半导体的晶圆的尺寸都是6英寸和8英寸的规格。 （source: imec）
另一方面，为了满足功率元件在高频与高压应用中的需求，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这类新的半导体材料也逐渐受到重视，并且制造数量也越来越多。然而，这种新的晶圆的尺寸都是6英寸为多，只有少数供应8英寸的规格，例如世界先进，就是全球首家能够提供8英寸GaN晶圆代工的业者。
再从建置成本与产能来看，虽然12英寸晶圆厂的产能高于8英寸厂，但反之其建置的成本也高于8英寸厂，若没有足够的市场支撑，则12英寸厂的回收期与损益，都较8英寸厂来的困难许多。故在产量、制程与设备成本的多方考量之下，选择8英寸厂或许会是最佳的竞争策略。
产业大势也呼应这个发展。展望2020至2025，最重要的技术趋势就是以5G、AI和电动车为首的科技应用，而这些应用除了需要更高等级的存储与处理器之外，也将会需要大量的电源与感测IC ，因此势必会带来一波对功率与感测等模拟芯片的大规模需求。
看好长期竞争力 大型IDM拥抱12英寸厂
也因此，除非是在模拟芯片市场拥有相当销售实力的大型IDM业者，如英飞凌（Infineon）、意法半导体（STMicroelectronics）和德州仪器（Texas Instrument）等，有能力将产能投资提升至12英寸厂外，其他的中小型业者和代工厂的最佳竞争策略，就会是布局8英寸晶圆厂。
而前述提到的模拟芯片业者，的的确确也正在提升它们的模拟芯片的产能，例如英飞凌正在奥地利Villach兴建新的12英寸厂，专门用来生产功率半导体，预计2021年上半年进入量产。德州仪器也正在美国兴建一座新的12英寸厂，同样锁定模拟芯片市场，预计将在2022年正式量产。这两大业者的扩厂计划正验证了模拟芯片市场未来的成长潜力。
如此庞大的模拟芯片市场自然也不会是两家公司可以全部包下，全球的模拟芯片制造仍十分需要仰赖代工厂的协助，尤其目前的芯片设计市场多是以无晶圆公司为主，也因此模拟芯片代工的产能在近期就屡屡出现爆棚的情况，甚至让8英寸晶圆代工的价格反转向上。
图四 : 高塔半导体（TowerJazz）就决定增加在12英寸厂上的投资，来提高他们在模拟元件上的产能。图为其日本鱼津市的厂房。 （source:TowerJazz）
因应这波模拟芯片需求，专门代工特殊IC的世界先进（VIS）稍早就宣布，将收购格芯（Globalfoundries）位于新加坡的8英寸晶圆厂，以因应即将来临的产能需求。
国际半导体产业协会（SEMI）的全球8英寸晶圆厂展望报告就指出，预期2019到2022年间，8英寸晶圆厂产量预计将增加70万片，增加幅度为14%，其中MEMS和传感器元件相关的产能约增加25%，功率元件和晶圆代工产能预估将分别提高23%和18%。
SEMI在另一份「全球晶圆厂预测报告」也提到，2019年启动建设的晶圆厂，部分可于2020年中期开始逐步新增产量。而新增的产能大部分集中在晶圆代工，占比达37%，其次是存储器，占比为24%和微处理器（MPU）的17%。
SEMI也指出，2019年的15个新厂计划中，约有一半是8英寸晶圆厂为主。
虽然8英寸厂有成本优势，但产能方面就是有先天的劣势，故也有晶圆代工厂采取不同的策略，例如高塔半导体（TowerJazz）就决定增加在12英寸厂上的投资，来提高他们在模拟元件上的产能。这家美国晶圆代工厂也是以专精于模拟领域的晶圆生产，例如混合讯号的COMS、RF、CMOS影像传感器，以及MEMS和电源管理元件等。
产能有过剩压力 但长期依然看好
整体而言，在5G、物联网、电动车与绿能的趋势下，模拟元件有望迎来其黄金的年代，无论是IDM厂或是晶圆代工业者，都能在这波成长中此获利。至于采取何种应对策略来取得最佳的成果，就端视各家业者自身营业的能力来做规划，8英寸厂有成本与供应链的竞争力，12英寸厂则有高量产的产能优势，但各自有适合的对象。
然而世界的基本道理就是物极必返，眼下一片光明的8英寸晶圆厂也可能会出现紧缩调节的现象，尤其是大家一头热的状况下。 SEMI就曾示警，在业者积极扩厂的状况下，8英寸晶圆厂的产能可能会出现过剩的情形，尤其是中国地区的业者。近期日本的市场研究机构野村也提出了类似的意见，他们认为功率元件等模拟芯片的需求正在放缓，再加上库存的调整，8英寸晶圆的需求正在下降。
不过，长期来看，8英寸晶圆厂依然是占据在非常有利的位置上，尤其是在成本与技术弹性方面，例如「异质整合」和新晶圆材料的导入，8英寸晶圆都可以拥有较佳的客制化能力，其发展是值得乐观期待。
