成熟节点的芯片短缺加剧

一般而言，芯片制造行业将不同工艺节点分为传统工艺、成熟工艺、先进工艺。传统工艺主要包括0.5um、0.35um、0.25um、0.18um、0.13um；成熟工艺主要包括90nm、65/55nm、45/40nm；先进工艺主要包括32/28nm、16/14nm、10nm、7nm等。

根据semiengineering发文指出，成熟工艺节点的芯片短缺问题日益严重，影响已遍及许多行业，包括家电、智能手机、汽车和工业设备。

8月20日，IHS Markit发布报告称，全球半导体短缺将导致今年全球汽车产量降低多达710万辆，疫情相关的供应链中断对行业的破坏将延续到明年。

2020年年中，半导体晶圆代工产能供不应求，全球大闹芯片荒，台积电、英特尔(Intel)等大厂预期2023年芯片短缺危机才会缓解。在此之前，semiengineering表示，目前芯片缺货潮仍将继续，特别是针对成熟工艺节点的芯片产品缺货日益严重。

尽管这类成熟工艺节点的芯片平时很少受到关注，但它们应用非常广泛，涉及家电、汽车、计算机、显示器、工业设备、智能手机和电视等。这类芯片有很多都是市场常见的产品，但目前半导体IC供应商许多此类的芯片型号由于市场供应紧张、延长交期导致供货跟不上。

此外，一些先进工艺节点的芯片，如存储器和处理器芯片也出现类似的缺货现象。这类先进工艺节点的芯片的缺货往往更会吸引业界关注，但基于成熟工艺节点的芯片也很重要。目前供应紧张的成熟节点半导体IC包括：CMOS图像传感器、显示驱动芯片、闪存控制器、微控制器(MCU)、功率MOSFET和电源管理集成电路(PMIC)。

芯片在前沿工艺节点的芯片短缺已经影响到了许多公司及其出货能力。短缺阻碍了汽车、个人电脑和智能手机的出货量，而且这种情况不会在短期内得到改善。

“总体而言，我们认为芯片短缺至少将持续到明年年中，”Gartner分析师Samuel Wang表示。到2020年中期，芯片市场出现反弹。在家工作/教育的经济效应刺激了对电脑和电视的需求，这导致了对芯片的需求激增，一些芯片出现短缺。这种势头随后延续到2021年。同时，汽车领域也逐渐出现了严重的芯片短缺，这种情况已经蔓延到智能手机和其他产品中。

半导体IC行业普遍出现芯片短缺还有其他原因。从高层次来看，该行业正处于繁荣周期中，需求超过供应。并且没有足够的芯片制造能力来满足需求。

领先的芯片是在最先进的300毫米晶圆厂中制造的，采用从16纳米/14纳米到5纳米的各种先进工艺。此外，300mm晶圆厂还在65nm到28nm的成熟节点上制造设备。芯片也在较旧的200毫米晶圆厂中制造，使用范围从350纳米到90纳米的工艺。

几年来，全球200毫米晶圆厂产能一直很紧张。300mm容量也是如此。分析师表示，事实上，台湾代工厂的产能至少要到2022年年中才会售罄。

“我们看到对许多应用程序和所有节点的需求前所未有，”联电销售副代表Walter Ng说。“随着这个周期的持续时间更长，我们相信这可能会成为新的常态。”

为了满足需求，芯片制造商正在建造新的200毫米和300毫米晶圆厂。但建造晶圆厂需要时间和金钱，这意味着芯片短缺问题不会在一夜之间消失。在此之前，包括图像传感器、显示IC、MCU和PMIC在内的多种芯片类型将继续短缺。

繁荣周期

多年来，该行业经历了各种需求大于供应的繁荣周期。它也经历了经济低迷。当前的繁荣周期是近几年来最大的周期之一。

TEL总裁兼首席执行官Toshiki Kawai在最近的一次演讲中表示：“在5G移动和数据中心投资普及的推动下，逻辑/代工厂商斥巨资投入并加快对内存的投资。”“在DRAM中，由于5G移动、PC和数据中心需求增加，供应紧张。闪存的稳定投资仍在继续。”

根据Semico Research的数据，总体而言，半导体市场预计到2021年将增长17%。据Semico称，相比之下，2020年的增长率为6.6%。在这个周期中，芯片供不应求，这影响了许多产品。Semico总裁Jim Feldhan表示：“供应短缺期间的传统经济模型通常会导致价格上涨和单位销量下降。”

但需求正在放缓，至少对于某些最终用户产品而言是这样。“大部分PC升级周期已经结束，短缺将在2021年下半年大部分减少，” Feldhan说。“我们研究了一些将短缺延长到2022年的情况。物联网、5G及其在智慧城市的新应用预计将持续增长，并且对云应用的依赖日益增加。”

每个应用程序以及所涉及的相关芯片都有一组不同的动态。“先进的技术和成熟的半导体产品正在经历不同的供应情况，” Feldhan说。“随着采用最新一代工艺技术(5nm)的手机的推出，用于智能手机的高级处理器正面临供应紧张的情况，这在一定程度上是正常的。随着家庭教育需求的满足，PC和平板电脑的计算处理器正在恢复历史需求水平。”

利用成熟技术的芯片也在蓬勃发展。“我们在射频领域看到了很多机会，尤其是在5G部署方面，”Bruker半导体X射线业务部副总裁兼总经理Paul Ryan说。“许多代工厂的主力是40纳米及以上。”

以汽车为例。汽车可能有一些领先的芯片，但绝大多数设备都是基于成熟工艺节点的。“随着个人电脑需求的增加，2020年汽车销量下降，”Feldhan说。“将容量从汽车芯片转移到计算和家庭娱乐是有意义的。但许多汽车芯片是为特定应用而设计和使用的，不能用于其他应用。”

到2021年初，汽车业务出现反弹，但汽车制造商未能采购足够的芯片来满足需求。“汽车制造商试图恢复他们的订单，但现在他们排在了制造队列的后面。Fab产能已经分配用于满足笔记本电脑、台式机、平板电脑和服务器销量的增长。这与去年下半年新智能手机的正常推出相冲突。异常的天气和交通问题加剧了这个问题，”Feldhan说。

总而言之，该行业正陷入多个领域的芯片短缺之中。因此，IC供应商需要更多的制造能力。

但拥有晶圆厂和代工厂的IC供应商面临产能不足的问题。“我们看到成熟节点的300mm设备利用率达到历史最高水平。KLA副总裁兼总经理Wilbert Odisho表示，中国、北美、欧洲和日本的设备制造商在增加产能方面尤其积极。“200毫米设备的利用率非常高。设备制造商正在建造新的200毫米晶圆厂并扩大现有晶圆厂的产能。”

200mm容量特别紧张。在某些情况下，代工厂正在将一些芯片产品从200毫米晶圆厂迁移到300毫米晶圆厂。“然而，在许多其他情况下，将专业技术生产转移到300毫米存在一些重大障碍，”Lam Research战略营销董事总经理David Haynes说。“首先，将设备生产从折旧的200毫米晶圆厂转移到300毫米晶圆厂的经济性可能具有挑战性。其次，更大的障碍可能是所需的重新认证。在许多情况下，晶圆厂输出的一个重要组件针对汽车应用，其重新认证可能既费时又费钱。但这使得这些200毫米晶圆厂需要不断改进，以增加现有设施的产能。”

所有这些都给代工供应商带来了挑战。“每个代工厂都有自己的标准来应对当前的短缺，”联电的Ng表示。“由于需求远远超过我们的能力，这迫使我们根据客户和特定的重点终端应用优先考虑我们的供应能力。我们在这样的时期做出的决定，以及我们做出决定所依据的标准，对我们在以下方面的表现至关重要。

MCU短缺

同时，成熟节点的几类芯片产品火热紧缺，包括微控制器。MCU用于多种系统，例如电器、汽车、通信设备和工业产品。英飞凌、Microchip、恩智浦和Renesas等供应MCU。

MCU提供系统中的处理功能，在同一芯片上集成了多个组件，例如CPU和内存。MCU有4位、8位、16位和32位配置。应用程序取决于配置。例如，32位MCU用于汽车，而4位产品用于电器。它在晶圆厂中在各种节点进行加工，例如28nm、40nm、65nm、90nm和180nm。有些正在高级节点上开发设备。

MCU需求强劲。“MCU是一个热门应用的例子，需要从成熟的200mm技术节点到主流300mm技术的支持，”联电的Ng表示。“MCU是推动主流40纳米及以下技术发展的关键应用之一。”

然而，MCU供应商跟不上需求。“MCU的短缺仍在继续，”Semico的Feldhan说。“到2020年下半年，对MCU的需求开始增加。从那时起，MCU平均销售价格(ASP)每个季度都在上涨。32位MCU的供应似乎最紧张，其ASP比去年增加了20%以上。”

甚至更老的4位MCU也很受欢迎。“4位MCU的单位销售额显着增加。尽管4位MCU仅占总销量的不到1%，但在2021年前五个月，4位MCU的销量与2020年相比增长了400%以上，”Feldhan说。

一些MCU供应商正在采取常规措施来满足需求。例如，Microchip推出了首选供应计划(PSP)。它将为客户提供从订单后6个月开始的供应优先权，以换取至少12个月不可取消的订单。

Microchip总裁兼首席执行官Ganesh Moorthy在最近的电话会议上表示：“这为我们提供了坚实的基础，使我们能够谨慎地采购受限原材料、投资扩大工厂产能并雇用员工来支持我们的工厂生产。”

PMIC、DDIC缺货

显示驱动器IC(DDIC)和电源管理IC(PMIC)也供应紧张。DDIC用于为平板显示器供电，而PMIC则用于管理系统中的电源。

“我们看到与电源相关的应用，例如PMIC和DDIC，需求量很大，”联电的Ng说。“DDIC和PMIC生产涵盖了从150nm到22nm/28nm节点的成熟技术。”

PMIC几乎用于所有系统，是控制电力流动和方向的芯片。Dialog、Maxim、Qualcomm、Samsung、STMicroelectronics和TI都销售PMIC。一些供应商在自己的晶圆厂中构建PMIC，而其他供应商则使用代工厂。

PMIC基于BCD（双极-CMOS-DMOS）工艺。据意法半导体称，BCD将三种不同的工艺技术结合到一个芯片上。双极用于模拟功能，CMOS用于数字，DMOS用于电源和高压元件。

PMIC至关重要。在智能手机中，PMIC处理大部分电源要求和其他功能。

然后，对于可穿戴设备、耳戴设备和其他紧凑型消费系统，设计人员希望开发更小的系统，但他们还必须找到延长电池寿命的方法。设计人员必须减少散热和噪音。

为了满足这些需求，Maxim最近推出了单电感器、多输出PMIC。该设备可以将系统尺寸缩小一半，同时将电池寿命延长20%。

然而，PMIC也供不应求，这影响了特定产品的出货量。PMIC用于PC、服务器和其他产品。“在供应受限的情况下，PC、服务器和图形需求保持健康。KeyBanc分析师John Vinh表示，虽然PC笔记本电脑的需求比较稳定，但由于与DDIC和PMIC相关的严重组件短缺，第二季度可能会低于先前的预期。

根据Semico的数据，2021年第一季度，电源管理设备的单位销售额下降了0.7%，而价格则上涨了2.8%。

DDIC也供不应求，阻碍了特定显示器的出货。汽车、工业设备、个人电脑、智能手机、电视和其他产品都包含平板显示器。大多数电视屏幕都基于液晶显示器(LCD)。电视使用其他显示类型，例如有机发光二极管(OLED)和量子点。

智能手机显示屏基于LCD和OLED。许多汽车采用简单的LCD，而其他车辆则使用更复杂的显示器。“汽车显示器的扩展以及汽车设计中电气化和先进计算机架构的兴起正在推动显示驱动器IC和改进的显示技术以及3D传感和更广泛的MCU应用，以提高ADAS性能，”联电的Ng说。

平板显示器是在大型晶圆厂制造的。来自中国、韩国和台湾的供应商主导着显示器制造业。

疫情爆发之前，平板显示器市场不景气。供过于求、价格下跌和亏损是市场的共同主题。到2020年年中，显示器市场出现反弹，显示器中使用的关键芯片出现短缺，包括DDIC、时序控制器(TCON)和触摸和显示驱动器集成(TDDI)芯片。

“DDIC提供了点亮面板的功能，”显示芯片和其他产品供应商Himax的Eric Li说。

TCON用于控制显示器中的显示驱动器IC。TTDI将触控IC和显示驱动IC结合在同一芯片上。Focaltech、Himax、Ilitech、Magnachip、Novatek、Raydium和Synaptics供应显示芯片。

到 2021年为止，显示器的需求仍然强劲，显示芯片仍然短缺。

Semico的Feldhan表示：“据传显示驱动器处于短缺状态，2020年下半年可能就是这种情况，当时显示驱动器的ASP增长了21%，而单位销售额仅增长了19%。”“但在2021年第一季度，单位销售额增长了14.5%，而价格下降了10.4%。这种销售对价格的反应通常表明存在一些库存增加。”

几家代工厂商制造显示芯片。用于大尺寸LCD的DDIC是在200毫米晶圆厂中使用110纳米至150纳米工艺生产的。用于小尺寸屏幕的DDIC是在300mm晶圆厂中使用90nm至22nm工艺制造的。

据TrendForce称，大屏幕LCD的DDIC供不应求。据该研究公司称，这些产品是在200毫米晶圆厂制造的，全球200毫米产能短缺。

用于中小型显示器的DDIC也很紧张。除了短缺，DDIC的供应商还面临其他挑战。在某些应用中，TDDI正在取代DDIC。

同时，用于智能手机显示器的AMOLED显示芯片也存在短缺。据TrendForce称，这类产品的代工产能紧张，采用40纳米和28纳米中压工艺技术制造。

GlobalFoundries、三星、台积电和联电是这些工艺的主要代工厂。此外，据TrendForce称，HLMC、Nexchip和中芯国际也在开发这些工艺。

图像传感器热潮

CMOS图像传感器也供不应求。CMOS图像传感器在各种系统中提供摄像头功能，例如汽车、工业/医疗系统、安全摄像头和智能手机。

典型的智能手机包含两个或多个摄像头，每个摄像头均由CMOS图像传感器供电。传感器将光转换为信号，使手机能够创建照片。

根据豪威科技的数据，一款高端智能手机平均包含1到2个前置摄像头，以及3到4个主摄像头。这些相机集成了分辨率从2到200兆像素不等的图像传感器。

豪威科技全球销售和营销高级副总裁Michael Wu表示：“移动设备的新相机功能是静态图像和捕捉。“在某些情况下，客户可能会探索新的成像应用，例如同步定位和地图绘制以及AR/VR。”

图像传感器供应商不断突破技术极限，在芯片上封装越来越多的像素。UMC的Ng表示：“市场不断寻求改进摄像头模块，在更广泛的终端产品中使用更高的分辨率和更小的像素尺寸。”

根据市场分析机构Yole的数据，2020年图像传感器业务总额达到207亿美元，比2019年增长7.3%。根据Yole的数据，该市场预计将在2021年达到214亿美元，增长3.2%。

“对于移动设备而言，2020年5G需求呈指数级增长。我们看到4G的库存较低，而整体市场趋势仍在向5G转移，”豪威科技Michael Wu表示。“对于医疗而言，疫情流行推动了市场的积极增长，今年我们继续看到增长，尤其是从可重复使用的医疗成像设备到一次性设备的需求。”

图像传感器使用标准CMOS工艺在200毫米和300毫米晶圆厂制造。为了制造图像传感器，供应商在晶圆厂中处理两种不同的晶圆。第一个晶圆由多个裸片组成，每个裸片由一个像素阵列组成。第二个晶圆由图像信号处理器(ISP)芯片组成。晶圆被粘合在一起，芯片被切割，形成图像传感器。

一般来说，顶部像素阵列芯片是基于成熟的节点。ISP芯片的工艺范围包括65nm、40nm和28nm。

“从制造角度来看，首先要注意的是，随着像素尺寸缩小到1μm以下，传感器像素晶圆的制造正在从90nm技术节点转向65nm和45nm技术节点，”Lam的Haynes表示。“与此同时，相关的图像信号处理(ISP)晶圆生产正在转向28纳米及以下。最后，今天集成的不仅仅是传感器和ISP晶圆。也有集成DRAM的趋势。”

其中一些工艺供不应求。“CMOS图像传感器的短缺不仅影响了移动市场。这是影响整个半导体行业的普遍短缺，”豪威科Michael Wu表示。“我们看到40nm和28nm都存在短缺，但从40nm到28nm的一些迁移也是如此。”

结论：其他芯片类型，如模拟和射频，也供不应求。电容器等无源元件也是如此。目前尚不清楚短缺情况具体何时结束。