12英寸晶圆厂真的要取代8英寸吗？

过去几年，全球晶圆厂建设如火如荼，突如其来的疫情，虽然对产能建设造成了一些影响，但总体规划和发展态势没有变，特别是 12 英寸（300mm）晶圆厂，规模和声势更加引人关注。

以疫情刚刚爆发的 2020 年为例，来自 SEMI 的统计和预测数据显示，当年，全球用于 12 英寸晶圆厂的投资额同比增长 13%，创造历史新纪录。而且，由于疫情影响，全球数字化转型进程加速，这样，2021 年在 12 英寸晶圆厂上的投资再创新高，同比增长约 4%，之后的 2022 年稍微放缓。

从当时的预测情况来看，2022 年之前没有大问题，但对 2023 年的预测显然过于乐观了，今年的情况并不好。

在晶圆厂数量方面，SEMI 表示，排除低可能性或谣传的晶圆厂建设，保守估计，2020- 2024 年至少新增 38 座 12 英寸晶圆厂，其中，中国台湾增加 11 座，中国大陆增加 8 座，两地区合计占总数的一半。预计 2024 年 12 英寸晶圆厂总数将达到 161 座，晶圆厂月产能有望增长 180 万片 (wpm)，达到 700 万片以上。

近几年，虽然中国大陆在 12 英寸晶圆厂建设方面出现了不少泡沫，但总体增长的势头，特别是市场对产能的需求量一直是刚性增长。在这种情况下，中国大陆产能占全球比重将快速增加，据统计，2015 年的市占率仅为 8%，而到 2024 年将增至 20%，月产能也将达到 150 万片。

与中国大陆相比，日本在全球 12 英寸晶圆产能比重持续下降，2015 年约占 19%，2024 年将跌至 12%；美洲也将从 2015 年的 13%，跌至 2024 年的 10%。SEMI 认为，韩国将成为最具发展潜力的市场，投资额在 150 亿-190 亿美元之间，紧随其后的中国台湾投资额约为 140 亿-170 亿美元，中国大陆为 110 亿-130 亿美元。

前些天（3 月 27 日），SEMI 发布的最新统计和预测报告显示，在 2021 和 2022 年强劲增长后，由于存储和逻辑芯片需求疲软，预计 2023 年 12 英寸晶圆厂产能扩张将放缓，不过，这只是短暂「休息」，SEMI 认为，到 2026 年，全球 12 英寸晶圆厂产能将增加到每月 960 万片，创历史新高。

SEMI 总裁 Ajit Manocha 表示，在 2022-2026 年间，新增产能的主要驱动力为：模拟和功率器件 IDM 的产能以 30% 的复合年增长率领先，其次是晶圆代工业，增长率为 12%，之后是光电器件的 6%，存储芯片的 4%。包括格芯（GlobalFoundries）、华虹半导体、英飞凌、英特尔、Kioxia、美光、三星、SK 海力士、中芯国际、意法半导体、德州仪器、台积电和联电在内的 IDM 和晶圆代工厂，将有 82 座新厂在 2023-2026 年期间运营。

由于美国的出口管制，中国大陆企业和政府将 12 英寸晶圆厂投资重点放在了成熟制程产线上，其全球份额将从 2022 年的 22% 增加到 2026 的 25%，产能达到每月 240 万片。

根据 SEMI 的预测，2022-2026 年，由于存储芯片市场需求疲软，韩国占全球 12 英寸晶圆产能比重将从 25% 下滑至 23%，尽管中国台湾地区的份额也会略有下降，从 22% 降至 21%，但仍有望保持第三名的位置。而日本在全球的份额预计将从 2022 年的 13% 下降到 2026 年的 12%。

在政府投资的推动下，2022-2026 年，预计美洲、欧洲和中东地区的 12 英寸晶圆产能份额将增长，到 2026 年，美洲的份额将增长 0.2% 至接近 9%，欧洲和中东地区的份额将从 6% 增加到 7%，东南亚的 4% 基本保持不变。

由于推出了 390 亿美元的芯片制造补贴计划，美国「芯片法案」带动本土的英特尔、美光、德州仪器，以及外来的台积电和三星电子等国际巨头企业在美国大规模兴建 12 英寸晶圆厂。

英特尔在亚利桑那州投资了 200 亿美元建设两座晶圆厂，2022 年 9 月，英特尔又斥资 200 亿美元在俄亥俄州建造两座先进制程晶圆厂，而且，类似的投资在未来还会增加，十年内的总额可能会达到 1000 亿美元。

「芯片法案」公布之后，美光就宣布了 400 亿美元的投资计划，这一投资持续到 2030 年，将分阶段在美国建设先进制程存储芯片晶圆厂。

台积电在亚利桑那州建设的 5nm 晶圆厂已经搬入设备，在此基础上，该晶圆代工龙头 2022 年 12 月宣布将再建一座 3nm 制程晶圆厂，这些项目投资加起来，不少于 400 亿美元。三星在德克萨斯州新建了一座 12 英寸晶圆厂，其总投资也将由原计划的 170 亿美元提升至 250 亿美元。

在欧洲，台积电，英特尔都有新建 12 英寸晶圆厂的计划，目前正在规划当中。

12 英寸晶圆的魅力

目前，硅晶圆的主力是 8 英寸和 12 英寸的，而从前文所述，以及目前的市场行情来看，12 英寸的明显压过 8 英寸一头，这是为什么呢？

一个很重要的原因就是先进制程的发展。14nm 以下的芯片，如已经量产的 7nm、5nm、4nm、3nm，以及未来的 2nm 等，都是用 12 英寸晶圆制造的。原因在于：制程工艺越复杂，芯片的成本越高，为了控制成本，就要最大化地利用硅晶圆，而晶圆尺寸越大，浪费的越少，利用率越高。例如，用 8 英寸和 12 英寸晶圆生产同一制程工艺的芯片，12 英寸所产芯片数量是 8 英寸的 2.385 倍。

12 英寸晶圆的表面积大约为 70659 平方毫米，以华为麒麟 990 5G 处理器为例，其单个芯片面积为 10.68×10.61＝113.31 平方毫米，如果晶圆能够被 100% 利用，可以生产出 700 个这样的芯片，但实际上这是不可能的，芯片是方形的，晶圆是圆形的，一定会有损耗，理论计算可以产出 640 个左右，但考虑到良率等因素，实际能生产出 500 个左右。

再有，12 英寸晶圆厂洁净度要比 8 英寸高出不少，因此，同样的芯片产品从 8 英寸产线转移到 12 英寸的，其良率会明显提升，从而增加成本效益。

8 英寸晶圆厂还有前途吗？

12 英寸晶圆的成本效益高，全球各大芯片厂商也在兴建 12 英寸晶圆厂，难道 8 英寸晶圆产线已经成为昨日黄花，没有价值了？答案是否定的。

这里有一组数据，截至 2022 年，全球有 150 多座 12 英寸晶圆厂，其中，42 座在中国台湾，33 座在中国大陆，19 座在美国，12 座在欧洲和中东。虽然先进制程工艺很重要，且吸引了大量投资，但仍有相当大比例的芯片在 8 英寸晶圆厂生产，特别是 90nm-180nm 工艺节点芯片，是 8 英寸产线的天下。截至 2022 年，全球约有 230 座 8 英寸晶圆厂，其中，51 座在美国，49 座在欧洲和中东。

从 2018 年起，8 英寸晶圆芯片产能就处于供给不足的状态，这种状况一直持续到 2022 上半年，特别是在中国大陆，无论是 IDM，还是晶圆代工厂，8 英寸晶圆产能一直都很紧俏，产能利用率相当高。

出现这种状况的原因主要是市场对模拟芯片的需求量一直在提升，功率器件、电源管理芯片、CMOS 图像传感器、MEMS 传感器、RF 收发器、滤波器，PA、ADC、DAC 等，大都在 8 英寸晶圆产线投产。

SEMI 预计，2019~2022 年，全球 8 英寸晶圆产量增加约 70 万片，增幅为 14%，其中，MEMS 和传感器相关产能约增加 25%，功率器件产能提高约 23%。2019 年，在 15 个新晶圆厂建设计划中，约有一半是 8 英寸的。

8 英寸晶圆产能为何满足不了应用需求呢？主要原因有如下几点。

一、市场对模拟芯片的需求强劲，特别是新能源汽车的快速发展，对功率器件（IGBT、MOSFET 等）的需求相当强劲，而这些芯片主要在 8 英寸晶圆产线生产。

二、晶圆代工厂的 8 英寸线产能普遍紧张，而且，大部分模拟、分立器件市场由 IDM 大厂把持，但因产能有限，这些 IDM 通常会将订单外包给晶圆代工厂，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 8 英寸晶圆代工产能供不应求的情势。

三、相关设备供给不足，很多设备厂已经不再生产 8 英寸晶圆加工设备了，二手设备数量又很有限，以及 8 英寸硅片产量受限等，也在制约 8 英寸晶圆产能供给量。

2008-2016 年，全球共有 15 座 8 英寸晶圆厂转型为 12 英寸的，然而，从 2016 年开始，8 英寸晶圆厂关闭的速度开始减缓，这种态势一直持续到 2021 年前后，8 英寸晶圆产线似乎焕发了第二春。

疫情爆发以来，全球半导体业呈现出异常红火的局面，特别是 2020 年到 2022 上半年，各种芯片供不应求，8 英寸晶圆产能的市场需求非常火爆。但从 2022 下半年开始，这股芯片热快速降温，进入 2023 年以来，各种芯片全面过剩，8 英寸晶圆产能不再像过去几年那么火爆了。不过，这是全行业共有的状况，并不是 8 英寸独有的。业界普遍估计，到了 2024 年，全球半导体业将全面复苏，到那时，8 英寸晶圆产能需求有望再次热火起来。