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【制造/封测】莫大康:全球半导体业在积极的变革中

来源:求是缘半导体联盟    原作者:莫大康    

观察近十来年的全球半导体业究竟发生了什么?首先映入业内的是定律已经趋缓,尺寸缩小快走到尽头,以及产业的发展模式稍有所改变,许多顶级的终端客户,包括苹果、华为、Facebook等开始自己研发芯片,它表明市场需要差异化,另外也反映终端客户提出更多的要求,目前市场无法满足它们。

之前是英特尔一家独大,如今它仍是很大,但是真正冲在前面的是苹果、华为、高通、三星、Nvidia、AMD、Xilinx等。然而细想起来,如果缺乏台积电,及ASML的EUV光刻机的支持,全球半导体业会是怎么样?。

台积电一马当先

推动半导体业进步由互联网时代转向移动时代,手机成为中心,而手机的创新离不开它的基带处理器、存储器、RF、CIS及功率电子等芯片的不断更新,所以台积电能跟踪定律,而帮助fabless等实现梦想。它的作用与地位非常穾出。

近期台积电的成功决不是偶然的,归纳起来有以下诸多方面:

· 具有张忠谋等卓越的领军人物

· 坚持代工模式,以客户优先

· 持续的加大研发与投入

· 全方位发展,如进入先进封装领域等

2019年它的营收高达347亿美元,晶圆产能每月226万片(8英寸计),平均价格每片高达1,530美元,其中16纳米FinFET及以下制程全年占比首次突破50%,达50.7%;其中7纳米从2018年第三季开始,营收占比节节攀升,至2019年第四季营收为36亿美元占比达35%,2019年7纳米的营收高达94亿美元,占比达27%。

台积电从2012年至2019年投入的研发费用高达192亿美元,平均每年24亿美元,超过联电、中芯国际、力晶科技、华虹宏力、世界先进五家公司的研发费用总和。

在2018年,台积电就以261种制程技术,为481个客户生产了10436种芯片。

台积电已于2019年试产5nm制程,它的南科18厂产能规划接近70,000片,囊括主要客户订单,包括Apple、海思、AMD、Qualcomm等。从设备商订单追加情况来判断,它的5nm与3nm量产都设定在18厂,因此除了既有的5nm产能外,也可能提前将3nm研发计划同步在18厂进行 。

台积电会在5纳米量产后一年推出5纳米加强版(N5+),与5纳米制程相较,在同一功耗下可再提升7%运算效能,或在同一运算效能下可再降低15%功耗。N5+制程将在2020年第一季开始试产,2021年进入量产。目标它的5纳米营收占全年的10%。

台积电从原来的晶圆制造代工角色,逐步跨界至封测代工领域(InFO、CoWoS及SoIC等封装技术),试图完整实体半导体的制作流程。

EUV光刻

之前对于EUV光刻的成功几乎很难想象,如今不容置疑已经真的成功。归结为产业链的共同努力及ASML的坚持不懈。

尽管EUV光刻从7纳米开始导入,可能在2纳米及以下,由于价格奇高而无法再推进下去,但是不可否认,近期半导体业如果没有EUV技术,至少产业可能发生暂时的减缓。所以EUV光刻技术的成功导入其功不可没。

格芯首席技术官Gary Patton表示,如果在5nm的时候没有使用EUV光刻机,那么光刻的步骤将会超过100步,会让人疯狂。所以EUV光刻机无疑是未来5nm和3nm芯片的最重要生产工具,未来围绕EUV光刻机的争夺战将会变得异常激烈。因为这是决定这些厂商未来在先进工艺市场竞争的关键。

据ASML的年报得知,2016年,他们总共才出货了四台EUV光刻机,2017年则交付了10台EUV系统。而2018年,ASML的EUV光刻机产量可以达到18台,但到2019年,全年EUV光刻机订单量达到了62亿欧元,总计出货了26台EUV光刻机。预计2020年交付35台,及2021年则会达到45台到50台的交付量,是2019年的两倍左右。

目前的250W光源应用在7nm甚至5nm都是没问题的,但到了3nm,对光源的功率需求将会达到500W,到了1nm的时候,光源功率要求甚至达到了1KW,这也不会是一个容易的问题。

EUV技术已成功在台积电,三星等生产线中开始实现量产,由于各种问题仍不少,包括它的掩膜、Pellicle,缺陷检测及光源功率等,所以EUV技术需要进一步完善。

由于EUV设备的价格每台约1.5亿美元,2019年它的销售额已上升至108亿美元,非常接近于排名第一应用材料公司的110亿美元。

结语

今年全球半导体业的发展态势变得更加扑朔迷离,受新冠疫情的影响,不但中国,如韩国及日本等也可能波及,所以未来半导体业的态势尚难预料。

从先进工艺制程角度,如逻辑工艺,目前到5纳米,预期2022-2023年能达3纳米,甚至2纳米及以下;DRAM,目前制程达1z纳米,约16-15纳米,未来采用EUV技术可能达近10纳米,而3D NAND,目前量产已达128层,至2025年时有可能超过300层。

半导体业持续不断的进步,依赖于市场需求上升及产业链的共同努力。从尺寸缩小角度定律可能止步,然而在5G,AI,IoT,自动驾驶等市场推动下,产业的自适性提高,产业的生存期仍很长。但是未来的技术,包括SiP,堆垒技术,AI,IoT,及自动驾驶等,挑战都很大,需要时间的积累。

封面图片来源:拍信网