成熟制程工藝有哪些？淺談成熟制程的優(yōu)勢(shì)

本周，Counterpoint Research給出了按成熟制程（節(jié)點(diǎn)≥40nm）產(chǎn)能排序的全球晶圓代工廠商Top榜單，如下圖所示。

可以看出，排名前四的廠商分別為：臺(tái)積電（市占率28％），聯(lián)電（13％），中芯國(guó)際（11％），三星（10%）。

成熟制程在2020年非?；鸨a(chǎn)能嚴(yán)重短缺，這給各大晶圓代工廠帶來了巨大的商機(jī)。而從2021年的產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)來看，這種短缺狀況在近期內(nèi)還難以緩解。對(duì)此，Counterpoint Research認(rèn)為，2021年，排名靠前的代工廠的成熟制程僅會(huì)分配給特定應(yīng)用。

舉例來說，即便8英寸晶圓需求強(qiáng)勁，聯(lián)電（UMC）宣布，2021年8英寸晶圓產(chǎn)能僅擴(kuò)充1%-3%。占全球成熟制程產(chǎn)能約10%的中芯國(guó)際由于受到美國(guó)禁令制約，在產(chǎn)能擴(kuò)充上也充滿不確定性。整體而言，這波產(chǎn)能短缺屬于結(jié)構(gòu)性問題，要等到2022年所有供應(yīng)鏈都重建好庫(kù)存后才能緩解。

制程工藝不是越先進(jìn)越好

目前來看，半導(dǎo)體制程工藝發(fā)展呈現(xiàn)出兩大趨勢(shì)：，一是繼續(xù)追求先進(jìn)制程，典型代表是臺(tái)積電、三星、英特爾、中芯國(guó)際；二是聚焦特色工藝，滿足多樣化需求，代表廠商有聯(lián)電、格芯、世界先進(jìn)、華虹宏力等。

而與成熟制程相比，先進(jìn)制程有短板。一是上游IC設(shè)計(jì)費(fèi)用越來越高，先進(jìn)制程可以為芯片提供良好的功耗比，但是其代際設(shè)計(jì)費(fèi)用增速越來越高，例如，設(shè)計(jì)7nm芯片的成本超過 3億美元，華為麒麟980芯片就是用臺(tái)積電7nm工藝制造的，麒麟980是由超過1000名工程師組成的團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年時(shí)間、經(jīng)歷超過5000次的工程驗(yàn)證才成功應(yīng)用的。

據(jù)IBS的測(cè)算，如果基于3nm開發(fā)英偉達(dá)GPU，成本將高達(dá)15億美元。從芯片設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益方面來看，7nm是長(zhǎng)期存在的節(jié)點(diǎn)，5nm/3nm的PPA和成本難以達(dá)到平衡點(diǎn)，除非有超量的出貨來均攤成本。

成熟制程的優(yōu)勢(shì)

成熟制程主要用來制造中小容量的存儲(chǔ)芯片、模擬芯片、MCU、電源管理（ PMIC）、模數(shù)混合、傳感器、射頻芯片等。在應(yīng)用層面，云計(jì)算、5G射頻器件需求的快速增長(zhǎng)為成熟制程提供了強(qiáng)勁動(dòng)力。

晶圓代工業(yè)正在向更加細(xì)分方向發(fā)展，不同于臺(tái)積電和三星追逐先進(jìn)制程，UMC、格芯、 TowerJazz、世界先進(jìn)、華虹宏力等更多關(guān)注于各自擅長(zhǎng)的特色工藝，通過在已有成熟工藝方面的投入，提升產(chǎn)品性價(jià)比及競(jìng)爭(zhēng)力。

從需求側(cè)來看，特色工藝的市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，具備吸納更多企業(yè)在各自特色領(lǐng)域內(nèi)做精做強(qiáng)的基礎(chǔ)。目前來看，MCU、模擬電路和分立器件這三大類芯片占整體市場(chǎng)的份額接近 50%，且其發(fā)展更加穩(wěn)健，為特色工藝應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。更加值得關(guān)注的是，與先進(jìn)工藝相比，特色工藝在晶圓代工業(yè)務(wù)模式上滲透率相對(duì)較低，傳統(tǒng)邏輯器件方面，除了英特爾外，主要廠商基本采用“設(shè)計(jì)-代工-封測(cè)”的分工合作模式，而在模擬器件、MCU、分立器件領(lǐng)域，仍然以IDM自家生產(chǎn)為主。這使得成熟制程工藝代工業(yè)務(wù)的拓展有了更大的空間。

另外，特色工藝的供應(yīng)商在盈利能力方面的波動(dòng)性相對(duì)較小，一方面，需求端的穩(wěn)定性使廠商在經(jīng)營(yíng)管理方面的可預(yù)期性更強(qiáng)，另一方面，由于制程的成熟度相對(duì)較高，在設(shè)備支出和研發(fā)投入規(guī)模方面，特色工藝廠商相對(duì)較小，使其在成本控制方面具備優(yōu)勢(shì)。

成熟制程工藝有哪些呢？具體來看，主要包括以下幾種。

驅(qū)動(dòng)IC：隨著OLED面板滲透率上升，OLED廠商市占率提高，而傳統(tǒng)OLED DDIC以80nm及以上制程為主，其訂單量上升提高了更高制程節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能。

電源管理芯片：受益于5G推進(jìn)，手機(jī)搭載的數(shù)量大幅增長(zhǎng)，且快充芯片的使用量也逐步提升。此外，TWS耳機(jī)等新品的推出也拉動(dòng)了電源管理芯片和NOR Flash需求。傳統(tǒng)PMIC制程節(jié)點(diǎn)為0.18μm /0.11μm，市場(chǎng)需求上漲為該成熟制程和相應(yīng)的特色工藝需求提供了動(dòng)力。

傳感器：手機(jī)攝像頭數(shù)量不斷提升，其中配套的低像素CIS帶動(dòng)0.18μm等制程節(jié)點(diǎn)需求提升，普通高像素CIS也只需55nm制程節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步拉動(dòng)了成熟制程代工需求。指紋識(shí)別方面，手機(jī)領(lǐng)域的屏下光學(xué)、電容側(cè)邊、超聲波等逐步滲透到智能家居、金融、汽車等領(lǐng)域，該類產(chǎn)品多采用0.11μm/0.18μm制程，相應(yīng)的成熟制程和特色工藝平臺(tái)越來越受歡迎。

代表企業(yè)

在市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，掌握成熟制程的晶圓代工廠能依靠產(chǎn)能的調(diào)整和擴(kuò)張?zhí)嵘姓悸剩貏e是在以中國(guó)為代表的東亞地區(qū)，需求增長(zhǎng)最快。中芯國(guó)際、聯(lián)電、世界先進(jìn)、TowerJazz等以成熟制程代工為主的廠商，基本以分立器件、驅(qū)動(dòng)IC、PMIC和eNVM等為主。

此外，雖然臺(tái)積電和三星以先進(jìn)制程為主，但由于這兩家的體量很大，且同時(shí)兼顧成熟制程，使得它們?cè)诔墒熘瞥淌袌?chǎng)的占比同樣占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，特別是臺(tái)積電，無論是全球晶圓代工總體排名，還是成熟制程榜單，該公司都處于龍頭地位。

中芯國(guó)際方面，成熟制程是該公司的主要收入來源。以2020上半年為例，0.15μm /0.18μm、 55nm/65nm和40nm/45nm分別貢獻(xiàn)了其營(yíng)收的33.4%、32.6%和14.9%。

中芯國(guó)際開發(fā)了多種特色工藝平臺(tái)，如電源/模擬、高壓驅(qū)動(dòng)、eNVM、混合信號(hào)/射頻、圖像傳感器等。其中，電源/模擬技術(shù)基于現(xiàn)有的低功耗邏輯工藝平臺(tái)，可提供模塊架構(gòu)，可提供中壓和高壓器件，高壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)平臺(tái)涵蓋 0.15μm、55nm、40nm等；eNVM技術(shù)平臺(tái)涵蓋0.35μm至40nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，具有低功耗、耐久性突出的特點(diǎn)。

臺(tái)積電方面，從該公司2020年第4季度財(cái)報(bào)可以看出，40nm/45nm營(yíng)收占總營(yíng)收的8%，65nm占5%，90nm占2%，0.11μm/0.13μm占3%，0.15μm/0.18μm占7%，0.25μm及以上占1%。這樣，臺(tái)積電在該季度成熟制程的合并營(yíng)收占總營(yíng)收的26%，還是很可觀的數(shù)字。

從歷史發(fā)展來看，臺(tái)積電于2004年開始從以0.11μm+制程為主的低端晶圓制造過渡到以40nm-90nm的更先進(jìn)制程工藝為主的晶圓制造，并于2011年底開始從以中低端為主的晶圓制造過渡到以28nm及更先進(jìn)制程工藝為主的晶圓制造。

三星方面，目前有四條產(chǎn)線，包括三條12英寸和一條8英寸的，12英寸晶圓代工線分布在韓國(guó)和美國(guó)，主要針對(duì)相對(duì)高端的制程工藝，包括65nm、45nm、32/28nm HKMG、14nm FinFET工藝。8英寸晶圓代工線于2016年開放，涵蓋180nm到65nm節(jié)點(diǎn)，主要用于eFlash、功率器件、CIS，以及高壓制程等。

聯(lián)電方面，由于驅(qū)動(dòng)IC、PMIC、RF、IoT應(yīng)用等代工訂單持續(xù)涌入，聯(lián)電8英寸晶圓產(chǎn)能滿載。不僅如此，據(jù)悉，其2021上半年的產(chǎn)能也已經(jīng)全面滿載。

聯(lián)電是業(yè)內(nèi)首家對(duì)外宣布放棄10nm及更先進(jìn)制程工藝的晶圓代工廠。2017年7月，該公司啟用了雙CEO制度，那之后的一年內(nèi)，他們就對(duì)市場(chǎng)做了縝密的調(diào)研，并在一年后，也就是2018年7月，對(duì)外宣布聚焦在成熟制程，而不再對(duì)10nm及更先進(jìn)制程進(jìn)行研發(fā)投入。

具體來看，無論是8英寸，還是12英寸晶圓廠，聯(lián)電都聚焦在了各種新的特殊制程工藝上，尤其是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、5G和汽車電子這些在未來具有巨大市場(chǎng)和發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域，如聯(lián)電的汽車電子業(yè)務(wù)，過去幾年的年增長(zhǎng)率都超過了30%。包括RF、MEMS、LCD驅(qū)動(dòng)芯片、OLED驅(qū)動(dòng)芯片等領(lǐng)域，聯(lián)電都有目標(biāo)性的強(qiáng)化技術(shù)，并一直在提升市占率。

在特殊工藝方面，市場(chǎng)對(duì)LCD驅(qū)動(dòng)芯片、OLED驅(qū)動(dòng)芯片需求量很大，多數(shù)采用的是80nm、40nm工藝，在此基礎(chǔ)上，聯(lián)電將這些芯片制造導(dǎo)入到了28nm上，而在MCU的特殊工藝方面，聯(lián)電也在持續(xù)發(fā)展。

穩(wěn)健且光明的發(fā)展前景

市場(chǎng)對(duì)成熟制程工藝需求迫切，各大晶圓代工廠也都很重視這塊業(yè)務(wù)，行業(yè)普遍看好其發(fā)展前景。

IC Insights發(fā)布的《2020-2024年全球晶圓產(chǎn)能》報(bào)告認(rèn)為，隨著芯片特征尺寸微縮速度持續(xù)放緩，芯片設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)越來越難以證明較高的成本能得到合理的回報(bào)。因此，先進(jìn)與成熟制程之間的利弊愈加明確，不同公司所采用的制程也愈加有針對(duì)性。這就使得各種制程都有展現(xiàn)各自優(yōu)勢(shì)的空間。

在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，按照IC Insights的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，各種半導(dǎo)體制程的市占率正向著相對(duì)更加均衡的方向發(fā)展，如下圖所示。

從圖中可以看出，40nm及以上成熟制程的比例在這些年當(dāng)中沒有出現(xiàn)明顯變化，且市場(chǎng)規(guī)模很可觀。

40nm以上的成熟制程，無論是180nm以下，還是180nm以上的，市占率都很穩(wěn)定。這也正是諸多晶圓代工廠長(zhǎng)期專注于成熟工藝，而不向先進(jìn)制程投入過多資本和精力的底氣所在，同時(shí)，也是格芯和聯(lián)電放棄最先進(jìn)制程的主要原因。無論先進(jìn)制程如何發(fā)展，未來，成熟制程工藝的市場(chǎng)依然會(huì)很廣闊，依然具有很好的投資價(jià)值。
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