台积电拟赴日开设新的生产工厂

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未来也可能会出现其他新奇的方案。
本文来自格隆汇专栏:半导体行业观察,作者:limo

因为疫情和地缘政治的影响,日本半导体也在寻求自主芯片可控,并转向台积电寻求帮助。但台积电,会是日本的答案吗?

本文的三个观点:

  • 人们对于全球最大半导体代工厂(Foundry)TSMC在日本国内建设量产工厂的期待越来越高。

  • 有观点提出,可能会与大型图像传感器(CMOS)厂家索尼合作建厂。

  • 但是,考虑到各种条件,TSMC很有可能以独资的形式赴日建厂。

五月末,各家媒体争相报道“由日本经济产业省带头,索尼和TSMC将在日本建设半导体工厂”。此外,进入六月份,又以中国台湾媒体为中心,出现了“索尼、丰田汽车、三菱电机与TSMC合作,在日本建设半导体工厂”的新闻,人们对TSMC赴日建厂的期待越来越高。不管怎么说,都不是准确、真实的信息,本文以索尼和TSMC为中心,论述二者合资建厂的可能性是否存在。


分工合作,实现索尼的“堆叠式”


受到当下车载半导体供给不足的影响,为了强化作为战略物资的半导体的日本国内供应链,以日本政府和经济产业省为中心,正努力吸引TSMC赴日建设半导体工厂。此外,还有一个目的是希望借助TSMC的技术力量,将日本半导体行业“丢失”的40纳米以下的逻辑半导体工艺带到日本。

迄今为止,索尼和TSMC已经有过合作。索尼拥有全球CMOS Image Sensor(CIS)市场50%以上的份额,处于绝对优势,其80%的生产量由一种被称为“堆叠式”的CIS占据。所谓堆叠式指的是分别制造用于摄像的传感芯片和处理信号的逻辑芯片后,将二者贴合在一起的技术。索尼将研发的资源集中在其擅长的传感器芯片生产(Master工艺)和与逻辑芯片的贴合方面,实现了高于竞争对手的高清画质和生产良率;索尼将逻辑芯片的代工交给擅长微缩工艺的TSMC,以分担生产和投资,获得了如今的市占率。


赴日的条件是“客户”、“资金”、“技术”


要想吸引TSMC赴日建设半导体工厂,必须要有对TSMC而言有利的优势。“日本希望强化半导体供应链”、“日本正因半导体不足而受困”等理由都无法吸引TSMC,毕竟是企业,盈利才是海外建厂的必要条件。此外,赴日建厂是否有吸引力还要看是否有“客户”、“资金”、“技术”。

如果TSMC赴日建厂,可以推测的“客户”有索尼(用于堆叠式CIS的逻辑芯片)和当下供给不足的车载微控制器等产品。从一直以来的新闻报道以及电子Device产业新闻的采访来看,TSMC的日本工厂应该是具备28纳米一一16纳米工艺、月产能为5万一一6万(300mm,由一期和二期的2万一一3万构成)。但是,仅仅生产用于CIS的逻辑芯片和车载微控制器似乎很难“填满”每月5万一一6万的生产产能。

文章开头还提到了作为合作方的丰田汽车和三菱电机等企业,据说丰田汽车未来将自行设计车载高端处理器、并委托给TSMC代工;未来,三菱电机在量产300mm晶圆的功率半导体之际,也会交给TSMC代工。但是,由于28纳米一一16纳米的工艺节点过于微缩化,无法用于功率半导体,因此TSMC就必须要筹备更多的工艺节点。


TSMC喊话:“希望扩大CIS客户群”!


下面我们再把话题转移到索尼和TSMC。

如果要“填满”TSMC在日工厂的产能,或者TSMC要获得新客户,那么较有吸引力的条件就是“不仅要代工索尼的CIS逻辑芯片,还要为索尼代工CIS Mater工艺”。对TSMC赴日而言,代工被评价为全球最高画质的索尼的CIS Master工艺,是三个“吸引力”标签中的“技术”。

就CIS Master工艺的代工而言,也不是什么新鲜话题。每当CIS需求高涨、供给紧迫的时候,中国台湾等地在几年前就多次出现了“TSMC为索尼代工CIS Master工艺”的新闻。实际上,一直以来(包括现在)两家公司也都在为合作的可能性进行讨论。

但是,两家公司的合作能否实现,真的是十分微妙!如今索尼的一部分Master工艺交给中国台湾UMC的在日工厂一一USJC(United Semiconductor Japan)三重工厂代工。USJC三重工厂的前身是三重富士通半导体,UMC收购了富士通的工厂,因此可以想象对于当时的索尼而言有多么困难:自己的合作伙伴突然转为了一家大型Foundry!对于索尼而言,其先进的Master工艺技术是否还能像之前一样公布给新的代工厂?

TSMC一直致力于扩大CIS代工业务,因此可以说客户群中也有索尼的竞争对手。因为TSMC是豪威科技(Omnivision,CIS Fabless)的主要供应商。但是,如今豪威科技已经被中国厂家收购,因此CIS的供应链已经切换为以中国代工厂为主。由于代工厂的变化,因此TSMC将其旗下子公司VisEra(从事生产用于CIS的On Chip Color Filter)独立、并卖掉了所持股份,VisEra在今年四月于中国台湾上市。

对于TSMC而言,赴日建厂的契机之一是希望扩大CIS的订单(因为失去了CIS客户),索尼和TSMC能够达成共识呢?


Cu-Cu链接技术极具吸引力


TSMC关注的另一方面是索尼特有的技术一一Cu-Cu链接。如今,索尼将Cu-Cu链接技术用于贴合CIS芯片和逻辑芯片时的导通技术中。以前,需要凸点(Bump)来连接芯片,由于凸点(Bump)的尺寸需要达到50um左右,而随着CIS的多像素化发展,如果想把凸点与针(Pin)数较多的逻辑芯片相结合的话,就很难再缩小芯片的尺寸。但是,Cu-Cu链接技术不是缩小凸点的尺寸,而是缩小节距(Pitch),因此,不需要在意芯片尺寸,就可以实现多像素化和逻辑芯片的高性能化。

对TSMC而言,相对CIS Mater工艺,Cu-Cu链接技术似乎更有吸引力。因为Cu-Cu链接技术可以将TSMC擅长的高端逻辑芯片与存储芯片、其他逻辑芯片、功能区块芯片以较小的节距(Pitch)连接起来,能够获得更高的性能,可以说对于近年来火热研发的3D-IC技术而言是极其重要的技术。

Cu-Cu链接技术的通用性极高,且对索尼进一步提高CIS功能而言十分重要,因此,如上文所述,与CIS Master工艺一样,对于索尼而言很难再交给外部厂商生产。


对于“Master工艺的微缩化”而言,索尼有优势


当然,对于索尼而言,加深与TSMC的合作既有意义也有利益。如果将CIS Master工艺委托给TSMC生产,可以减轻索尼对微缩化技术的投资负担。

在像素尺寸为0.8um的CIS量产方面,索尼全球领先,有效像素为4800万的CIS已经商用,且提高了在智能手机方向的市占率。但是,在0.7um的微缩化方面,索尼落后于竞争对手一一三星电子,且三星已经将1亿800万像素的CIS产品商品化。索尼也计划今年秋季开始量产0.7um产品,未来当需要0.6um的情况下,可以利用TSMC的微缩化技术。从商品化速度和设备负担来看,这一优势对索尼而言有很大的吸引力。


不需要担心“资金”


就三点中的“资金”而言,没有必要担心!

如果TSMC确定要在日本建厂,日本政府、经济产业省即使动用所有的补助政策,也要支援一半的建厂费用。

TSMC已经接受了美国政府的邀请,在美国亚利桑那州建设5纳米工艺的新工厂。计划2024年开始运营。对于TSMC而言,美国有占TSMC销售额60%一一70%的优秀Fabless客户。从这一点来看,TSMC就无法拒绝美国政府的邀请,而且,也不难想象的是美国政府应该也给TSMC在资金方面进行了多方支援。实际上,在TSMC的2021年4月一一6月的财报说明会上,当有提问提到美国政府的支援时,TSMC表示:“在美国国会上,获得了诸多党派的支持,十分乐观”。

因此,日本无法提出“日本不进行资金支援”这样的观点。


两家公司都各自建设自己的新工厂,是否合适?


之前,索尼表示已经向熊本县菊阳町(熊本科技分公司所在地)申请了新的工厂用地,是有意建设新工厂的。此外,TSMC也在2021年4月一一6月的财报说明会上提出“不排除一切可能性,就在日本建设晶圆代工厂一事,我们正在尽职尽责地进行调查(Due Diligence Process)”,明确表示正在讨论赴日建厂的事宜。

未来也可能会出现其他新奇的方案。甚至可能会出现“索尼正在计划建设的熊本新工厂,其实是与TSMC的合资工厂”一一这样的说法。此外,再加上上文中的丰田汽车、三菱电机等公司,很可能出现其他新方案。

但是,综上所述,如果仅关注索尼和TSMC,“两家公司合资在日本建厂”的可能性会很低!当年TSMC进入中国南京时,断然拒绝了中国的“一般情况下,以与中国当地企业合资的形式建厂”的条件,以独资的形式建设了南京工厂。以此来推测,TSMC赴日建厂的条件绝对不是“合资工厂”,就“日本政府、经济产业省必须要为TSMC准备好客户”这一观点而言,不过是戏弄媒体的把戏罢了。

索尼、TSMC分别在日本建设新工厂,且继续维持迄今为止的关系。此外,从现时间点来看,索尼在刚刚运营的长崎Tech Fab5工厂、即将建设的新工厂中独自致力于CIS Master工艺的微缩化技术研发,且继续仅将用于堆叠式CIS的逻辑芯片交给TSMC代工,似乎是更合适一些。

最后,再追加一句,即使TSMC赴日建厂,虽然日本的半导体供应链可以更稳固,但日本的半导体厂家并不会变得更强大。如果希望提高日本的半导体自给率,希望日本政府、经济产业省对于未来建厂的日本半导体厂家给与相应的资金支援。

围绕TSMC赴日建厂,虽然出现了各种各样的报道,如上文TSMC在财报说明会上回答的一样“目前处于讨论阶段”。为了继续保持较高的稼动率、很好地运营工厂,存在诸多问题(如确保客户),如今来看还需要时间才能得出具体结论。

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