一些细分市场正在正常化，其他细分市场可能会在 2022 年受到影响。

当前的半导体和 IC 封装短缺浪潮预计将持续到 2022 年，但也有迹象表明，供应可能最终会赶上需求。

半导体和封装领域的制造能力、材料和设备也是如此。尽管如此，在所有细分市场都经历了一段时间的短缺之后，目前的学派认为，尽管汽车芯片等一些产品短缺可能会持续到 2022 年，但芯片供应可能会在 2022 年中期恢复相对正常。这取决于几个经济因素然而，所有这一切都可能在一夜之间改变。

这是半导体行业的一个混乱时期。 2020 年初，业务看起来很光明，但在 Covid-19 爆发后市场下跌。整个 2020 年，各国采取了各种措施来缓解疫情，例如居家令和关闭企业。经济动荡很快接踵而至。

到 2020 年年中，由于居家经济推动了对计算机、电视和其他消费电子产品的需求，IC 市场出现反弹。消费类芯片和精选 IC 封装出现短缺。然后，在 2021 年上半年，对汽车、智能手机和其他产品的需求激增，导致这些领域的芯片短缺。今天，许多芯片类型供应紧张，交货期长，而其他一些更容易找到。这取决于芯片的种类和供应商。

全球芯片制造能力也很紧张，尤其是对于 200mm 晶圆厂更成熟的工艺。一段时间以来，200mm晶圆厂产能已经售罄，预计这种情况不会很快改变。而现在，许多代工厂客户正准备迎接另一轮全面的价格上涨。同时，在封装方面，一些封装类型将继续供不应求，许多领域的产能紧张。精选器件的交货时间很长。

半导体短缺的情况并非全是厄运和悲观。 IBS 首席执行官汉德尔琼斯在一份新报告中表示：“除部分产品外，供需形势预计将主要在 2022 年上半年或 2022 年下半年得到解决。” “许多因素促成了对半导体的强劲需求。然而，由于市场饱和，一些推动过去需求增长的因素正在减弱。由于刺激措施的减少和高通胀的影响，消费者的购买力将减弱。”

供应商也有一些不祥的迹象。据 IBS 称，产能过剩可能会在 2022 年下半年或 2023 年的某个时候发生，具体取决于产品。

不可能解释每种半导体产品或封装的动态，因为每种半导体器件都有自己的供需情景。但是有几个关键产品可以提供对这种情况的一些见解。其中包括应用处理器、微控制器 (MCU)、电源管理 IC (PMIC) 和 WiFi 芯片以及各种封装技术。

晶圆代工厂的情况

多年来，集成电路行业经历了起起落落。当前的好转是近期记忆中最大的好转之一。根据 IBS 的数据，总体而言，预计 2021 年半导体市场将达到 5425.5 亿美元，比 2020 年增长 21.62%。 IBS 预测，该市场预计到 2022 年将增长 7.13%。

据 TEL 称，晶圆制造设备 (WFE) 市场预计到 2021 年将增长 40%。 TEL 总裁兼首席执行官 Toshiki Kawai 在一次演讲中表示：“由于对前沿逻辑和存储器的需求急剧上升，预计 WFE 市场将出现显著扩张。”

尽管如此，半导体行业设计和制造了多种不同的芯片，例如模拟、GPU、MCU、内存、微处理器和功率半导体。 GPU、处理器和其他高级逻辑芯片在 300 毫米晶圆厂中生产，使用从 16 纳米/14 纳米到 5 纳米工艺节点的各种工艺技术。 （工艺技术是用于在晶圆厂制造给定芯片的配方。节点是指特定工艺及其设计规则。）

从 16nm/14nm 到 5nm，芯片制造商依赖于 finFET。 “与之前的平面晶体管相比， finFET芯片在三个侧面与栅极接触，可以更好地控制 finFET片内形成的通道，”Lam Research 大学项目主管 Nerissa Draeger 说。

300 毫米晶圆厂也用于 65 纳米到 28 纳米的成熟工艺节点。同时，其他芯片是在较旧的 200 毫米晶圆厂中使用 350 纳米到 90 纳米的工艺制造的。许多芯片也在晶圆厂以更小的晶圆尺寸生产，例如 150 毫米、100 毫米等。

目前，200mm 和 300mm 晶圆厂的成熟工艺节点即使没有售罄也很紧张。 “在过去几年中，对在 200 毫米和 28 纳米以上成熟 CMOS 技术节点上制造的各种芯片的需求激增，无论是在传统 CMOS、双极 CMOS DMOS 还是基于RF-SOI 的工艺平台。这些器件包括 MCU、PMIC、数字显示驱动器 IC (DDIC)、RF IC 和制造背照式 CMOS 图像传感器所需的图像信号处理 (ISP) 晶圆。这种需求也受到多个细分市场技术趋势的支撑，”Lam Research 战略营销董事总经理大卫海恩斯说。

“汽车 IC 的供应问题有据可查，但与此同时，消费产品、支持 5G 的新器件和显示应用的需求也在增加，”海恩斯说。 “由于许多制造这些芯片的 IDM 和代工厂生产的不是一种产品，而是多种产品，因此情况进一步复杂化。从历史上看，他们已经能够重新平衡晶圆厂产能以满足对某种产品类型不断增长的需求，但是当对如此多产品的需求同时激增时，很难或不可能以这种方式调整产量。尽管某些器件类型（例如显示驱动器）的全球产能有所增加，但最近的报告表明，整个行业尚未达到供需平衡。”

总而言之，晶圆代工产能紧张。 “展望第四季度，我们预计晶圆出货量和 ASP 趋势将保持坚挺。联电联席总裁 Jason Wang 表示，8 英寸和 12 英寸设施的产能利用率将继续保持满负荷状态。

对于落后工艺节点和前沿工艺节点，在可预见的未来，晶圆厂产能预计都将吃紧。这取决于工艺和供应商。 “虽然我们不排除库存调整的可能性，但我们预计台积电的产能在 2021 年和整个 2022 年仍将非常紧张，”C.C.台积电首席执行官魏在最近的电话会议上。

Gartner 分析师 Samuel Wang 在总结情况时表示：“芯片代工厂大多被预订为 1H 2022。有些与无晶圆厂客户签订了 3-4 年的长期协议。 Gartner 的假设是，芯片库存将在 2022 年第二季度达到常态。小型供应商在这里和那里的各种组件短缺可能会持续更长时间。”

应用处理器问题

与此同时，据 IBS 称，无线是最大的半导体领域，占该业务的 40%。在无线领域，5G 智能手机和相关基础设施是许多芯片的主要驱动力。 IBS 表示，总体而言，2021 年 5G 智能手机的出货量预计将达到 5.78 亿部，高于 2020 年的 2.25 亿部。尽管如此，尽管 5G 在许多地区都在增长，但中国的智能手机市场正在放缓。

5G智能手机由应用处理器、CMOS图像传感器、内存、PMIC和RF等多种芯片组成。应用处理器是将 CPU、图形和 AI 功能集成在同一芯片上的前沿设备。

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图 1：应用处理器的复杂性持续增长。资料来源：电话/维基百科

苹果新款iPhone 13采用了A15应用处理器，基于台积电5nm工艺的150亿晶体管设计。许多其他手机采用了高通的 Snapdragon 888，这业是一种 基于5 纳米工艺的片上系统。

这些芯片由晶圆代工厂商生产。如今，台积电和三星是仅有的能够制造7nm和5nm芯片的代工厂商，并且都在研发3nm。最近重新进入代工业务的英特尔正在加快 10nm 和 7nm 工艺的生产，其中 4nm开始着手研发。

一段时间以来，对基于 5G 的前沿应用处理器和芯片组的需求一直很强劲。但这些芯片的代工能力似乎略有不足。 IBS 的 Jones 表示：“晶圆产能短缺可能会持续到 2021 年第四季度或 2022 年第一季度。”

产能短缺会持续多久取决于几个因素。 “苹果 A15 和高通骁龙 888 等最新设计的技术是 5nm，并计划在 2022 年迁移到 3nm，”琼斯说。 “如果 3nm 的智能手机芯片组在 2022 年下半年推出，那么 5nm 和 7nm 的产能可能会在 2022 年第三季度或 2022 年第四季度出现产能过剩。”

不过情况可能会改变。分析师表示，苹果的 iPhone 14 计划于 2022 年推出，应用处理器应该使用台积电的 3nm 工艺。然而，现在 iPhone 14 可能会使用 4nm工艺。分析师表示，苹果将于 2023 年推出的 iPhone 15 将采用 3nm 应用处理器。换句话说，台积电 3nm 的收入增长被推迟到 2023 年。

总而言之，各方的 3nm 生产爬坡将是一个不断变化的目标。 “有迹象表明，台积电和三星都在推迟增加 3nm 晶圆的量产时间，”琼斯说。

对于苹果和其他智能手机供应商来说，这并不是唯一的问题。在最近一个季度，由于芯片和制造能力短缺，苹果的销售额出现了 60 亿美元的缺口。问题不涉及对前沿节点的访问，而是涉及成熟工艺的芯片短缺。

据 KeyBanc 称，苹果的销售受到多个领域短缺的影响，包括 OLED 触摸屏控制器。用于控制显示，触摸屏幕控制器采用成熟的工艺制造。

其他成熟节点的芯片也供不应求，包括Wi-Fi 6芯片。 Wi-Fi 和部分射频芯片的生产工艺为 28nm、22nm 和 16nm。据 IBS 称，Wi-Fi 和其他射频芯片的短缺可能会持续到 2022 年第二季度，甚至可能是 2022 年第三季度。

智能手机和其他产品的 PMIC 也一直供不应求。 PMIC 用于控制电力的流动和方向，采用 180 纳米到 40 纳米的工艺制造。据 IBS 称，PMIC 的短缺预计将持续到 2022 年第二季度或 2022 年第三季度。

MCU的供应问题

在芯片短缺方面，汽车行业一直是受灾最严重的行业。 “到 2021 年，汽车行业 MCU 和其他半导体短缺的成本可能在 50 亿至 100 亿美元之间。然而，汽车公司已经能够通过专注于更高端的汽车来部分抵消他们的损失，这些汽车提供更高的价格和更高的成本。利润高于低端汽车，”IBS 的琼斯说。

汽车集成了一些前沿芯片，但绝大多数器件都是基于成熟的节点。根据美国国际贸易委员会的数据，一辆普通汽车包含价值约 330 美元的半导体成分，而混合动力电动汽车可包含多达 3,500 个总价值约 1,000 美元的芯片。

2020 年，在 Covid-19 爆发期间，对汽车的需求下降，导致汽车供应商减少了芯片订单。但到 2021 年初，汽车业务出现反弹。面对低芯片库存，汽车厂商试图从供应商处订购更多芯片。但随着智能手机供应商和其他供应商抢先一步，供应商发现自己在芯片零件队列中排在最后。

由于无法获得足够的芯片来满足需求，许多汽车原始设备制造商降低了销售目标。有些甚至暂时停止了部分车型的生产线。

当瑞萨电子的一家晶圆厂最近着火，导致停产和供应中断时，问题变得越来越糟。这家工厂最近恢复生产，该工厂生产 MCU 和其他芯片。

今天，汽车芯片短缺仍然是个问题。有迹象表明供应正在迎头赶上，但这种情况可能会持续到 2022 年。

恩智浦是全球最大的汽车芯片供应商之一，是这方面的领头羊。 “对于恩智浦来说，我们大约 75% 的汽车产品的交货时间继续超过 52 周，”恩智浦总裁兼首席执行官库尔特·西弗斯在电话会议上说。 “总而言之，我们认为汽车供需关系到 2022 年将继续失衡。”

恩智浦约 42% 的产品是使用内部晶圆厂制造的。另一部分由代工厂制造，例如 GlobalFoundries、TSMC 等。

在汽车领域，MCU 短缺尤其成问题。 MCU 提供汽车和其他系统中的处理功能，在各种节点的 fab 中进行处理，例如 180nm 到 28nm。一些 MCU 制造商拥有晶圆厂。许多芯片零件外包给代工厂。

无论哪种情况，仍然没有足够的产能来满足汽车行业的需求。根据 IBS 的数据，目前的平均晶圆价格为 1,800 美元（相当于 300 毫米晶圆尺寸），目前汽车 MCU 的晶圆产能约为每月 440,000 个晶圆 (wpm)。但据该公司称，该行业需要另外 100,000 wpm 来解决汽车领域的 MCU 短缺问题。

作为回应，拥有晶圆厂的代工厂和 MCU 制造商正在增加产能。在某个时候，产能将赶上需求。 “因此，MCU 的供应短缺应该会在 2022 年下半年结束。在 2022 年下半年或 2023 年，汽车行业也有可能出现产能过剩（即使设计周期很长），”IBS 的琼斯说。

芯片封装的情况

和以前一样，IC 封装市场的动态反映了半导体业务的供需情况。一段时间以来，芯片需求的持续激增导致了部分制造能力、各种封装类型、关键部件和器件的短缺。

以制造能力为例。日月光在2020年第四季度的工厂利用率高于80%。到2021年第二季度，日月光的封装/组装利用率为85%，测试利用率接近80%。

2021年，三季度也吃紧了。 “我们仍在满负荷运行，超过 85%。这将持续到第四季度。并且测试高于 80%，并且也将持续到第四季度，”ASE 首席财务官 Joseph Tung 在最近的电话会议上表示。

因此，封装厂正在扩大产能以满足需求。为满足需求，长电电子宣布其在中国宿迁的二期集成电路封装和测试设施正式开业。 “今年下半年，长电全球制造中心持续优化量产技术和运营效率，”长电科技CEO郑力表示。

但是一个封装由许多组件组成，而这些组件本身就供不应求。例如许多封装是由基础材料或基板组成。

QP Technologies 的母公司 Promex 的销售和营销副总裁 Rosie Medina 表示：“基材交货时间已从 2-4 周增加到长达 16-20 周。

今天，市场上有大约 1,000 种封装类型。每个都针对不同的应用具有自己的供需情况。

细分封装市场的一种方法是通过互连类型，包括引线键合、倒装芯片、晶圆级封装 (WLP) 和硅通孔 (TSV)。互连用于在封装中将一个管芯连接到另一个管芯。 TSV 的 I/O 数量最高，其次是 WLP、倒装芯片和引线键合。

据 TechSearch 称，当今约有 75% 至 80% 的封装基于引线键合。引线键合主要用于低成本的传统封装、中端芯片封装和内存芯片堆叠。多年来，封装厂增加了焊线产能，但最近在该领域投资不足。然后，在 2020 年末，对引线键合组装的需求猛增，导致产能不足。缺口一直延续到 2021 年。

Needham 的分析师 Charles Shi 表示：“几个季度以来，情况一直很紧张。” “这可以追溯到半导体短缺的情况。重要的不是先进的工艺节点。短缺涉及后端工艺节点，这些节点往往需要引线键合。这导致了一个大问题。在晶圆厂中，后端工艺节点的产能不足。然后，在硬币的另一面，引线键合供应能力也很短缺。它们被捆绑在一起，因为采用端工艺制造的芯片通常会进行引线键合。”

焊线机用于制造多种封装类型，例如四方扁平无引线 (QFN)。 QFN 属于封装的引线框架组。引线框架是金属框架。在生产过程中，将芯片连接到框架上，并使用细线将引线连接到芯片。

“和其他人一样，我们看到短缺和交货时间延长，特别是在材料方面，这影响了多项技术。例如，我们等待用于晶圆背面研磨机的研磨刀片的时间要长得多，而引线框架的交付时间增加了两倍，”Promex/QP 的 Medina 说。 “我们增加了新的焊线机，这提高了我们执行粗焊线和带焊的能力和产能。我们还推出了定制基板开发业务。我们一直在稳步增加员工人数并延长轮班时间以满足客户需求。”

其他人也保持领先地位。 “引线键合短缺主要是由供应链对芯片和材料的限制造成的。到目前为止，Amkor 正在以最小的影响进行管理，”Amkor Wirebond/电源与汽车业务部高级副总裁 Siva Mohandass 说。

尽管如此，获得引线键合设备仍然具有挑战性。分析师表示，今年早些时候，引线键合的交货时间为 10 到 12 个月。他们指出，目前，交货时间约为 3 至 6 个月。

除了丝焊，倒装芯片的需求也很强劲。倒装芯片用于开发 BGA 和其他封装类型。在倒装芯片工艺中，铜凸块或铜柱形成在芯片顶部。该器件被翻转并安装在单独的芯片或基板上。凸块落在铜焊盘上，形成电气连接。

“倒装芯片需求强劲。人们增加了很多产能，”尼达姆的施先生说。 “倒装芯片设备的交货时间并不像引线键合机那么糟糕。这告诉我们虽然倒装芯片的产能肯定很紧，但没有像丝焊那么紧。”

先进封装工具需求

与此同时，扇出型封装（WLP 的一种）在智能手机、手表和其他产品中越来越受欢迎。在扇出的一个示例中，DRAM 芯片堆叠在逻辑芯片上。

TSV 用于高级 2.5D/3D 封装，针对高端系统。在 2.5D/3D 中，管芯堆叠或并排放置在中介层的顶部，中介层包含 TSV。 TSV 提供了从管芯到电路板的电气连接。

图2

图 2：高性能计算封装的不同选项、基于中介层的 2.5D 与扇出基板上芯片 (FOCoS)。资料来源：日月光

AMD、英特尔和其他公司一直在使用小芯片模型开发新的类似 3D 的封装。对于小芯片，芯片制造商可能在库中拥有模块化芯片菜单选项。然后，客户可以混合搭配小芯片并将它们集成到现有封装类型或新架构中。

“因此，可以通过使用具有最佳性能/成本工艺节点的最佳处理器组件来优化系统，”Brewer Science 的高级项目经理小刘说。

使用这种方法，英特尔正在堆叠裸片并使用细间距铜凸点来将它们连接起来。这是使用称为热压焊机 (TCB) 的系统完成的。

对 TCB 系统的需求正在回升。 “截至 2021 年 2 月，ASM Pacific 在全球共运送了 250 个 TCB，我们估计其中大部分去了英特尔，”Needham 的施说。 Besi、K&S 和其他公司也销售 TCB 系统。

同时，AMD 正在实施一种称为铜混合键合的新技术，该技术使用铜对铜互连而不是凸点，用于比传统封装具有更多 I/O 的更细间距封装。

AMD 将使用台积电的混合键合技术。施表示，台积电正在其台湾新工厂中安装 Besi 的混合键合设备。 “大约一两年后，混合键合设备市场有望起飞，”施说。 “Besi 宣布，该公司正在马来西亚建造一家专门生产混合粘合系统的新工厂。工厂的设计产能为每月 ~12-15 个系统，或每年 ~150 个系统。”

结论

芯片/封装供应链是复杂的，具有多种动态。需要详细分类来跟踪所有内容。

所有这一切都让各家公司的采购团队现在以及在可预见的未来都忙得不可开交。