台积电的另一面

本文转载至微信公众号“半导体行业观察”，作者 杜芹 ，贝壳投研经授发布。  

作为代工行业的龙头老大，台积电的5nm制程已经投入量产，第6代3D晶体管平台3nm技术在主要客户完成IP设计并开始硅验证的同时，也在继续全面开发。除了CMOS逻辑制程外，台积电还开展了广泛的其他半导体技术的研发，为客户提供移动SoC和其他应用所需的功能。先进节点车轮滚滚向前的同时，成熟制程也越来越显现其重要性。尤其是应用在特殊应用（如车用、物联网、指纹辨识、无线充电）的特殊制程，这些特殊制程大都采用的是16nm和28nm等成熟节点。称霸先进制程还不够，台积电正在冲成熟制程。

特殊制程份额来到新高度

一向在成熟制程鲜有更多布局的台积电，2月份，台积电决定扩大其在中国的28nm产能，最初计划每月4,000片，后来扩大到每月100,000片，

这是其成熟技术在过去7年中最大的一次扩张。台积电总裁魏哲家也在4月法说会罕见指出，台积电将扩产成熟制程，应付全球晶片缺货问题。

关于28nm制程，业界周知，是张忠谋回营指挥上马的的一个制程。台积电也是28nm制程中市占率最高的公司，但28nm作为一个成熟工艺节点，这几年的竞争也非常激烈，利润和产能利用率也逐步降低。这个节点也是代工厂全球战略的重点。

但值得注意的是，直到现在台积电也基本从未关闭过晶圆厂，台积电开创的无晶圆厂/代工业务模式，与“半导体业务模式”，以及现在所说的“集成设备制造商”或IDM相比，有几个优势。在旧模式中，一家半导体公司拥有晶圆厂，整个思路就是让晶圆厂完全填满业务线。该公司需要的只是足够的业务来填补它的晶圆厂，但这还不够，而且超额的折旧是一个财务负担。而且当一家晶圆厂离前沿太远，可能就没有足够的业务可以在其中运行，而该晶圆厂就会关闭。或者，在许多公司同时拥有存储和逻辑业务的日子里，他们会运行存储，然后将fab转换为逻辑，最后关闭它。

而台积电不同，台积电会为那些非前沿的制程寻找新的专业技术，寻找新的客户，并维持晶圆厂的运转。像CMOS图像传感器(CIS)、新型非易失性存储器或MEMS等特殊的应用。随着台积电年营收规模将突破1.4亿元、并迈向挑战1.7亿元关卡之际，成熟制程的转型发展将扮演另一个长期营运动能。这就好像亨利·福特(Henry Ford)最初的T型车工厂还在运转，但现在为航空航天工业生产涡轮叶片。

随着半导体行业对成熟工艺节点的需求日益增长，用于物联网和汽车应用的专业技术也越来越重要。最重要的是，台积电今年的目标是将其专业技术占成熟工艺的份额提高到60%，首次超过50%，这是一个新的高度。三年前，专业技术仅占台积电成熟工艺的45%。随着台积电今年同时扩大成熟节点的产能，预计特种技术产能，特别是从28nm到16nm的产能，也将增长12%。2021年Q2，成熟技术预计将占台积电营收的一半。法人指出，台积电成熟制程特殊应用占比也将提高，今年相关营收贡献有望首度突破3,000亿元。

据了解，台积电今年的资本出将达250-280亿美元，年增45-62%；其中80%将用于3纳米、5纳米及7纳米等先进制程，10%用于先进封装技术量产需求，10%用于特殊制程。据悉，台积电竹科12厂与中科15厂都有对应优化制程设计，南科厂方面，南科晶圆14厂第八期也规划为特殊制程应用生产。

先前《日刊工业新闻》曾报导，日本政府经济产业省的主导下，台积电与SONY可能会在日本合资设厂，该工厂瞄准的也是特殊制程，将生产40纳米至20纳米的制程为主，主要用于汽车、家用电子与机械产业等类别。再者据《Digitimes》报导，台积电在先进制程与成熟制程都卯足全力布局，甚至连近期欧盟不断邀请台积电赴欧设厂，传出开始评估在德国设场的可能性，市场传出是落在12/16奈米制程，主要客户包括恩智浦、安森美与英飞凌等类比IC大厂。

台积电特殊制程的进展

台积电的专业技术组合包括MEMS、CMOS图像传感器、嵌入式NVM、RF、模拟、高压和BCD-Power等。而这些技术大多采用的是成熟的工艺节点，包括28nm和16nm等。

在MEMS领域，台积电于 2011 年推出了全球首个 Sensor SoC 工艺技术。该技术通过集成台积电行业领先的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和晶圆堆叠技术来制造单片微机电系统 (MEMS)。2018年，台积电成功交付全球首款CMOS-MEMS（微机电系统）单片电容式气压计。2020年台积电用MEMS技术协助客户推出单晶片超音波扫描器，此一单晶片元件可协助客户实现经济实惠的可携式超音波扫描。同时，台积电的模块化MEMS技术在2020年获得了大批量生产高分辨率加速度计和陀螺仪的资格。未来的计划包括开发下一代高灵敏度薄麦克风，12英寸晶圆上的MEMS光学图像稳定(OIS)系统的整体解决方案，以及Bio MEMS应用。

在CMOS图像传感器技术领域，2002年台积电协助客户领先将0.8微米画素的产品导入市场，并于九个月内再将制程推进到0.7微米画素，并及时导入量产。在缩小画素尺寸的同时，相同芯片大小的影像传感器元件的分辨率可以提高30%。还采用0.13微米双载子-互补式金氧半导体-扩散金属氧化半导体技术及45纳米堆叠式CIS（Stacked CIS）技术，为客户产出单光子雪崩式二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）三维传感器产品。此外，为了应对堆栈式CIS技术中，影像讯号处理器产品更高效能及更低功耗的需求，进一步推出22ULL制程技术，并加速12FFC制程技术的开发。同时，台积公司也建立了28纳米CIS制程技术研发试产线，协助客户未来开发更先进的CIS元件。

在存储领域，台积电这几年一直在新型存储领域下功夫。在嵌入式非易失性存储器(NVM)技术上，台积电在2020年也实现了几个重大的里程碑。在40nm节点上，该公司成功地批量生产了基于NOR的split-gate电池技术，以支持消费电子和众多汽车电子应用。在28nm节点上，公司用于惠普移动计算和惠普低泄漏平台的嵌入式flash开发保持了稳定的高产量，获得了消费电子级和汽车电子1级用途的技术资格，并计划于2021年获得汽车电子最高级0级的技术资格。2020年台积电开始生产28nm电阻随机存取存储器(RRAM)，这是台积电为价格敏感的物联网市场所开发的低成本解决方案。

在嵌入式MRAM技术上，该公司获得了成功量产22nm MRAM的技术资格，2020年已开始生产22nm磁随机存取存储器(MRAM)，用于下一代嵌入式内存MCU、汽车设备、物联网和人工智能应用。台积电预计22nm节点的MRAM将在2021年获得用于汽车电子应用的技术资格。在16nm节点上，产量稳定提高，预计将在2021年获得技术资格，为下一代微处理器嵌入式内存，以及许多汽车、物联网和AI设备应用做准备。

另外，在2019年，台积电开发了用于汽车电子和微控制器单元（MCU）的28nm嵌入式闪存技术。台积电的嵌入式闪存技术范围从 0.5 微米 (µm) 到28纳米，并提供多种闪存 IP选项以满足各种产品设计要求。2020年台积电获得了28nm eFlash汽车电子及微控制器(MCU)应用技术资格。

在混合信号/射频 CMOS (MS/RF) 技术方面，台积电占据了70%的市场份额。2018 年，台积电利用其28纳米射频 (28HPC+射频) 技术，交付了业界首个射频工艺设计套件 (PDK)，以支持 5G 毫米波射频和汽车雷达产品设计所需的110GHz毫米波和汽车级150°C的需要。此外，为了提高射频开关性能，台积电还开发了一种40nm特殊工艺，用于6Ghz以下应用的5G射频有限元(前端模块)设计。而为了适应更高的频率，台积电开发了一种28HPC+工艺，用于增强5G毫米波有限元设计中的功率放大器性能。在16nm专业技术方面，台积电的16nm FinFET Compact Technology（16 FFC）领代工厂于2018年开始为客户量产5G移动网络芯片。该技术已扩展到下一代无线局域网（WLAN 802.11ax）和毫米波应用，以及无线连接应用。

在高压（HV）领域，2020年，台积电还开发了芯片叠片(WoW 28HPC/40HV)，产品收率稳定，该技术可与28HPC+媲美，降低了60%的有功功率。此外，28HV单片技术完成了客户IP验证、鉴定和128Mb SRAM良率验证。这些技术是4K分辨率小面板、OLED(有机发光二极管)和120Hz显示驱动芯片的前沿技术。台积电完成了OLED在硅上的产品认证，并以优异的良率和照明均匀性转向AR/VR应用的量产。2021年，台积电计划提供该技术的改进版本，并部署8V晶体管，以提高WoW堆叠效率，这将意味着在28HV上的OLED TDDI(触控显示驱动集成)应用的性能和成本降低。

台积电是第一家采用300mm晶圆生产Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）电源管理工艺的代工厂。2020年台积电针对各种快速增长的移动电源管理IC的不同集成级别的应用扩展了90nm、55nm和22nm的12英寸双极Bipolar-CMOS - DMOS (BCD)技术组合。90nm BCD技术覆盖了从5V到35V的广泛应用，并将在2021年继续扩展。台积电专门优化了5V电源开关，它是用来处理由锂离子电池驱动的不断增长的电力需求。此外，其0.18微米第三代BCD制程技术于2020年完成AEC-Q100验证。

今年6月2日，恩智浦宣布，NXP的S32G2车载网络处理器和S32R294雷达处理器采用台积电先进的16纳米FinFET工艺技术量产。台积电的16纳米技术使恩智浦的汽车处理器首次能够利用先进的 FinFET 晶体管的能力，结合改进的性能和严格的汽车工艺认证，提供安全的下一代计算能力。这标志着随着汽车不断演变为强大的计算平台，恩智浦 S32 系列处理器向越来越先进的工艺节点迁移。

此外，台积电也在涉足氮化镓(GaN)领域，2020年台积电开始量产第一代650V和100V增强GaN高电子迁移率晶体管(E-HEMT)，该晶体管在2020年迅速达到满负荷生产。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM(性能)提高了50%，预计2021年投入生产。此外，100伏空乏型高电子移动率晶体管（D-HEMT）已完成元件开发，具备优异的性能，且通过多家5G基地台模块设计公司的工程验证，预计于2021年进入试产。

结语

如今，无论是先进制程还是成熟进程，台积电两手都在抓，两手都硬。台积电总裁魏哲家在今年一季度的电话会议上表示，产能短缺将至2022年，而成熟制程短缺情况将持续到2023年。从台积电在特殊制程上的发展情况也可以看出，成熟制程的用处很大，范围很广。