缺气体、缺冷却剂、缺……芯片行业致命弱点是缺原材料
过去两年，芯片的需求迎来了暴涨，芯片供给远不能满足需求，这一情况至少延续到2025年，而这些正在激发芯片公司的大规模投资——投资额将在未来五年内高达5000亿美元。但是，如果没有原材料、工具部件和硅燃料设施的大幅增长，这个数字是不可能实现的。
市场分析公司Techcet的总裁兼首席执行官Lita Shon-Roy表示，缺少材料是快速扩张的芯片行业的致命弱点，因为这种短缺会从供应链的一端延伸到另一端。举个例子，俄乌冲突以来，用于光刻工具的氖气一直处于短缺状态，而乌克兰是半导体行业重要的氖气（约占50%）供应地。半导体相关企业正在其他地方扩大氖气的产能，但数量仍然紧张。另一个例子是，3M公司在比利时的一家生产氟化液（PFAS）的工厂被暂时关闭，威胁到光刻胶和抗反射涂层的供应。
总而言之，半导体行业正在仔细研究如何在材料供应方面从被动反应转为主动模式，包括全球冗余，以便单个工厂的关闭不会引起整个行业的混乱。
"我们都记得1993年住友工厂的火灾造成了环氧树脂的巨大短缺，"SEMI企业营销副总裁Sanjay Malhotra说。"出于业务连续性的考虑，我们需要在系统中建立冗余度。在全球范围内实现多元化是很重要的。虽然公司试图避免未充分利用的资产的贬值是可以理解的，但确保必要的库存水平以避免短缺是必要的。"
麦肯锡公司的高级分析师Bill Wiseman提出了美国公司填补材料供应链缺口的几种方式，按市场规模、转移到美国的难易程度和目前的进口比例进行排名（见图1）。Wiseman把装配、特种气体和化学品归为简单且见效快的类别。其中大宗化学品和气体属于有机运动的范畴。而集成电路基板、光刻技术和晶圆厂设备为难以进入的知识产权丰富的市场，需要合资企业和知识产权许可协议才能进入。
图1: 美国扩张需要探索的潜在行业。资料来源：麦肯锡
对于组装和封装企业来说，基板的短缺很严重。"我们已经做了广泛的建模，结果显示，高性能应用中的堆积基板供不应求。"TechSearch国际公司总裁Jan Vardaman说。"去年的情况很糟糕，今年也一样，而明年则是一个大灾难。要到2024年至2025年才能建立起解决基板短缺问题的能力。"
Vardaman指出，基板短缺实际上与全球新冠疫情没有什么关系，更多是与行业向先进封装和更大的多层基板的快速过渡有关。她估计目前对新工厂的投资将需要两年时间才能上线。
氖气被用作KrF和ArF（分别为248纳米和193纳米）光刻技术的主要载气，其短缺与俄罗斯对乌克兰的战争直接相关。氖气是钢铁生产的副产品，主要在乌克兰、俄罗斯和中国生产。全球大约50%的半导体级氖气（>99.9995%）由两家乌克兰公司Ingas和Cryoin提供，这两家公司近几个月被迫关闭了在乌克兰的马里乌波尔、敖德萨等地的生产。
世界上只有少数公司有能力获得半导体级的氖气，林德半导体就是其中为数不多的一家。林德半导体宣布在其位于德克萨斯州拉波尔特的工厂扩大2.5亿美元的氖气产能。尽管主要的芯片制造商从2月份开始储备氖气，且现代工具具有回收能力，但仍需要定期补充气体。此外，中国和韩国也在提高氖气的生产能力。
除氖气外，各公司正在增加向替代供应商购买他们过去从俄罗斯企业获得的关键金属。这些金属包括钛、铜、镍、钯和铂。
根据Techcet的数据，到2025年，全球对清洁化学品的需求将增长37%至49%，包括半导体级盐酸、氢氧化铵、IPA、硫酸和过氧化氢。Shon-Roy表示，在美国，大多数供应商处于售罄状态，企业正在等待《芯片法案》的通过，以确定补贴是否会减轻新产能扩张的负担。
"Techcet的Shon-Roy说："中断风险最高的材料是气体和化学品，如果没有大量的投资，美国的工厂将越来越多地依赖进口，主要是从亚洲进口，以满足激增的需求。不愿意投资的人尤其来自工业化学品供应商，他们为许多行业服务，而不仅仅是半导体。
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像《欧洲芯片法案》和《美国芯片法案》这样的本土化激励方案针对的是供应链问题和劳动力发展，因为如果没有工程师和技术人员运行系统，工厂就无法运转（见图2）。
谈到如何在美国建立一个更好的半导体制造生态系统时，Wiseman指出："美国大约有30万工程师计划在未来8年内退休并退出劳动力市场，因此，要么人们工作时间更长，要么我们需要1.5倍的H1-B签证，将STEM毕业生增加2倍，或者将绿卡增加5倍。"
图2：解决工程短缺的杠杆包括将H1-B签证增加45%，将绿卡批准数量增加500%，以及将STEM毕业生增加174%（2019年基准）。资料来源：麦肯锡
根据Wiseman的说法，正是由于清洁化学制品产量逐年从3%提升到7%，导致了严重的供应链问题。同样，对于全球材料市场来说，化学和材料供应商也没有跟上连续几年两位数收入增长的步伐。根据Techcet的数据，在全球范围内，材料市场在2021年增长了15%，达到590亿美元（见图3）。该公司预计，今年的增长率将放缓至8%，2023年可能为2%，因此将需要更多的材料来满足需求。
2021年和2022年将是十年来硅片连续两年盈利的第一年，这是缺乏对新晶圆产能投资的主要原因，例如晶圆厂需要两年时间才能达到正常的生产水平。然而，即使宣布了扩产，在2024年，硅供应将仍不足以满足8英寸和12英寸晶圆的需求。
工具组件的短缺最近变得很明显，因为Lam Research、Applied Materials和其他工具供应商报告说，由于向晶圆厂交付的工具不完整而导致收入推迟。Lam公司执行副总裁兼首席财务官Doug Bettinger在 2021 Q4 财报电话会议上说："这些不利因素部分与新冠疫情和劳动力有关，部分与供应或扩产有关，部分是由于货运和物流限制。我们的预期是，行业内更广泛的供应链问题将持续一段时间，我们在第三季度退出时出现增量供应或发货延迟，可能会导致递延收入再次增长多达5亿美元。"
Lam Research公司表示，其第四季度的递延收入是由于只有一家供应商的延迟造成的，而这些零件已经成功交付。
图4：当生产晶圆厂加工工具所需的芯片无法获得时，它会对下游的电子行业产生不成比例的影响。资料来源：SEMI
在某些情况下，工具制造商在获得工具运行所需的芯片时会遇到问题——SEMI描述了一个周期性问题（见图4）。用于工具的FPGA、微控制器、射频、传感器和电源管理芯片在整个半导体行业中所占比例不到1%。然而，当它们没有供应给工具制造商时，它会对半导体和系统生产产生不成比例的影响。从本质上讲，ATE（自动试验设备）系统中的100个芯片被用来测试1000万个MCU，这些MCU能够生产10万辆汽车，从而使任何一个部件的缺失影响更加复杂。
短缺一直延伸到原材料层面，包括不锈钢、电机、MFC、气动阀、光刻胶过滤器等，这些都用于晶圆厂制造工具和交付系统。
设备部件供应商Sparetech的销售经理Fred Bouchard说：“要知道，工具的交货时间已经很长了，因此流程工具6-12个月的现有交货时间变成了12-24个月的交货时间。”
SEMI的Malhotra说，他看到最近几周半导体方面和设备交付方面的情况都有所缓解，但公司仍在寻求更高效的管理供应链的方法。
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二次采购是一种常见的做法，即电子或系统公司为某一特定零件拥有其主要 IC 供应商，但当主要供应商不能完全满足需求时，也有第二个供应商来满足需求。在工厂发生火灾或产量严重超标，影响公司交付芯片的能力的情况下，二次采购非常有效。
在8英寸晶圆加工处于领先地位的时代，许多部件和材料的二次采购是很常见的。但随着向12英寸工艺的过渡，许多签订了OEM服务协议的IC制造商放弃了二次采购模式。
Bouchard说："在亚洲，他们从未停止二次采购。"台湾地区和韩国的晶圆厂在当地可能有数百家供应商向他们提供零件，其中许多公司在美国和欧洲也很活跃。但是12英寸晶圆厂与OEM签订了服务合同，所以在美国往往没有二次采购。"
Bouchard指出，当英特尔过渡到12英寸时，该公司在很大程度上取消了其8英寸的二次采购计划，英特尔的巨大购买力影响了行业本身。"因为成本一直是行业内赢得合同的关键驱动力，所以对加强供应链的抑制因素不大。供应商的盈利能力只是不在其中。"
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虽然芯片行业正在努力缓解这些供应链问题，但向更长期的合同、供应商透明度的提高和材料本地化供应的转变似乎是急需的。
Malhotra说："在晶圆厂，人们现在更加努力地限制使用量，并对氖气和其他供应短缺的材料进行回收。"他补充说，虽然不是每个地区都能获得所有的原材料，但在使用材料的地区肯定可以进行提炼和净化操作。区域性举措可以确保封装基板、部件和关键材料的冗余。
麦肯锡的Wise补充说，需要采取集体行动来提高人才的可用性，并确立对可持续发展目标的集体立场。
"我们看到的是材料供应商的投资是缓慢的，他们希望看到数字，看到投资回报率。"Shon-Roy补充说。"这需要具有良好经济意识的人意识到现在是采取行动的时候了。"
来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「semiengineering」，作者：劳拉·彼得斯
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