十年一遇的缺货潮早在2016年已经初现,于2017年持续发酵,2018年抵达顶峰。而缺货潮爆发的根本原因其实在于半导体行业的周期性调整,上下游供需失衡效应被不断放大所致。产能扩充尚需时日,市场缺口难以短时填补,2018缺货潮延续,大部分品类的货期都延迟,令下游厂商痛苦不堪。而在不久前,国外投资公司摩根士丹利还分析称,受汽车、物联网和工业市场对零部件的需求影响,接下来至少短期内,电子元器件的供应会变得越来越紧张,交货时间非但不会减少,还会进一步延长。那我们就更需要了解,在整个电子元器件供应链环节中最核心的“货期”,究竟是怎么形成的?又是如何决定的呢?
要了解货期的决定因素,我们首先要了解元器件的生产周期和制造流程。以半导体芯片为例,芯片的制造过程可以分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻,蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装诸多步骤,而且每一步里边又包含更多细致的过程。所有的货期都与每一个环节紧密相关。
1、沙子:硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。
2、硅熔炼:12英寸/300毫米晶圆级,通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅,学名电子级硅(EGS),平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。
3、单晶硅锭:整体基本呈圆柱形,重约100千克,硅纯度99.9999%。
4、硅锭切割:横向切割成圆形的单个硅片,也就是我们常说的晶圆(Wafer)。
5、晶圆:切割出的晶圆经过抛光。
6、光刻胶(Photo Resist):在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体,类似制作传统胶片。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。
7、光刻:光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下,变得可溶,期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案,紫外线透过它照在光刻胶层上,就会形成微处理器的每一层电路图案。
8、溶解光刻胶:光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉,清除后留下的图案和掩模上的一致。
9、蚀刻:使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分,而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。
10、清除光刻胶:蚀刻完成后,光刻胶的使命宣告完成,全部清除后就可以看到设计好的电路图案。再次光刻胶:再次浇上光刻胶(蓝色部分),然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。
11、离子注入(Ion Implantation):在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料,从而在被注入的区域形成特殊的注入层,并改变这些区域的硅的导电性。
12、清除光刻胶:离子注入完成后,光刻胶也被清除,而注入区域也已掺杂,注入了不同的原子。
13、晶体管就绪:至此,晶体管已经基本完成。在绝缘材上蚀刻孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。
14、电镀:在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。
15、铜层:电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。
16、抛光:将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面。
17、金属层:晶体管级别,六个晶体管的组合,大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑,但事实上可能包含20多层复杂的电路,放大之后可以看到极其复杂的电路网络。
18、晶圆测试:内核级别,大约10毫米/0.5英寸。使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。
19、晶圆切片(Slicing):晶圆级别,300毫米/12英寸。将晶圆切割成块,每一块就是芯片的内核(Die)。
20、丢弃瑕疵内核:晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃,留下完好的准备进入下一步。
21、封装:封装级别及等级测试,最后一次测试,可以鉴别出每一颗处理器的关键特性,比如最高频率、功耗、发热量等,并决定芯片的等级。
一般晶圆代工企业生产1片晶圆所需的时间大致需要10周时间。即使在最紧急的条件下,生产晶圆所需要的时间也只能被缩短到10-14天,而芯片封装、测试一般需要2-4周(含物流时间),如果厂商提前3个月向代工厂发送订单或者有备货,正常标准货期一般为6-8周。
同时,形成和影响货期还有另外两方面因素:
原材料,厂商产能规划及市场策略
从供应端来看,原材料,厂商产能规划及市场策略起到关键性作用。半导体业界前期对需求端的预判过于谨慎,产能开发不足,表现最为突出的是上游硅晶圆的产能供不应求,直接导致台积电、三星等晶圆代工厂与众多IDM厂商的供应吃紧。当前,硅晶圆产业也是寡头独占的局面,日本信越(Shin-Etsu)、胜高(Sumco)、台湾环球晶圆、德国Siltronic、韩国LG Siltron五大巨头几乎囊括了全球95%的市占率。过去十年,全球经济增速发展放缓,市场需求表现萧条,致使这些硅晶圆巨头对市场需求的判断过于悲观而采取了产能保守策略,从源头上造成元器件缺货严重,货期得不到有效控制。从电子元器件的生产制造来看,电子元器件所包含的产品范围非常广阔,从用量最大的电阻电容电感,到集成电路(CPU,FPGA,,DRAM,,Flash闪存芯片等等),再到屏幕、接插件、连接器、光电元器件、感光元器件、摄像头模组、电机、麦克风、射频元器件(射频功放,滤波器,分频器,开关器件,天线,电缆等等)、传感器、功率器件等等,甚至一些生产电子产品的材料都算。当前世界上正在量产的电子元器件SKU超过三千万种,如果加上过去几十年间全世界总共生产过的电子元器件,估计SKU有1.6亿种以上。但是不管多少种类,所有的元器件制造流程都需要从芯片公司设计芯片——到芯片代工厂生产芯片——再到封测厂进行封装测试。不过因为各种不确定因素,比如芯片设计失败,代工厂产能满载,排不上生产日程,封装测试排不上产能,物流延迟等,都会影响到货期。而整个业界全球的芯片设计,晶圆代工及封装测试企业有如下:
全球主要IC设计公司(Fabless):
英特尔(Intel)(收购了Altera),三星(Samsung),海力士半导体(SK),高通(Qualcomm),镁光(Micron),德州仪器(TI)(收购了国半),恩智浦(NXP)(收购了Freescale(飞思卡尔)),东芝(Toshiba),安华高(Avago)(收购了博通),意法半导体(ST),英飞凌(Infineon)(收购了IR),联发科(MTK),Apple,瑞萨电子(Renesas),索尼(Sony),闪迪公司(SanDisk)(被西部数据收购),英伟达(NVIDIA),超微(AMD),安森美(ON)(收购了Fairchild),亚德诺半导体(Analog Devices)(与美信合并),思佳讯(Skyworks),海思,美满科技(Marvell),罗姆半导体(ROHM),赛灵思(Xilinx),展讯(Spreadtrum)(收购了锐迪科(RDA)),大唐半导体,南瑞(Nari Smart Chip),中国华大,敦泰,联咏,瑞昱,中兴微,瑞芯微,全志,华大半导体,格科,杭州士兰,中星微,圣邦微等。
主要IC晶圆代工企业:
台积电,格罗方德(GlobalFoundries),三星(Samsung),中芯国际集团(SMIC),台湾联华电子(UMC),力晶半导体PSC,Tower Jazz,富士通半导体,先锋半导体(Vanguard International),世界先进(VIS),Dongbu,美格纳(MagnaChip),华虹宏力(HHNEC),华润上华(CSMC),IBM,天津中环(TJSemi),吉林华微,上海华力微(HLMC),武汉新芯(XMC),无锡SK海力士意法半导体,英特尔半导体(大连),上海先进(ASMC),和舰科技(苏州)有限公司(HJTC),天水天光,深圳方正微,杭州士兰(Silan) ,中国南科集团,茂德科技ProMOS,上海力芯,上海新进,上海贝岭,杭州立昂微(Lion),首钢日电(SGNEC),华润微电子等。
主要IC封测厂:
日月光(ASE)(收购矽品科技),安靠(Amkor),矽品,力成科技,江苏长电(收购了新加坡星科金朋),J-devices,优特半导体(UTAC),南茂科技,颀邦科技,天水华天,京元电子,Unisem,福懋科技,菱生精密,南通富士通微,深圳市矽格,苏州晶方,气派科技,Nepes,深圳佰维存储,嘉盛半导体等。
有如此庞大的产品需求,而能提供服务和代工的企业又如此有限,其中任何一个环节的延误都会导致最终产品货期的延迟以及不确定性。所以,我们在确认货期时必须同时关注厂商上游企业的交付能力和整个原材料市场供求关系是否平衡,如果是IC类产品,更需要关注硅晶圆的产能,也是影响货期的关键因素之一。
需求端的复苏和新兴市场的崛起
从需求端和市场供货情况来看,需求端的复苏和新兴市场的崛起也会影响到货期交付。虽然全球智能手机、平板电脑和PC产业增速逐渐放缓,但是围绕物联网、新能源汽车、工业自动化及医疗等几大新兴应用领域的半导体需求却增长迅速,成为拉动半导体产业复苏的新动力。同时,从4G向5G转换的需求也促使相应元器件需求量倍增。那目前电子元器件的市场行情到底如何呢?
从2016年下半年开始,延期、涨价成了半导体供应链的主题。从2018年阻容大涨,持续整年的主动器件、被动器件的缺货,再到原厂交期拉长,预计2019年部分模拟器件、电池组件、连接器、以及照明解决方案器件的的交期会普遍趋于缓和,不过市场热门的阻容和Mosfet、肖特基二极管、开关二极管、双极晶体管、齐纳二极管、数字晶体管、通用晶体管、整流器等半导体分立器件的交期仍普遍处于货期延长状态。目前大概的各大半导体原厂元器件货期普遍状况下文将有所展示,结合市场供需情况也可影响具体实际交期。
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