產業脈動｜半導體產業將扮演台灣產業發展主要動能

在2017年開始全球半導體都有好消息，不僅是營收的成長，在新的應用也逐漸有新的斬獲。隨著PC市場的低迷與逐漸沒落，智慧手持裝置（特別是智慧手機）晶片則是扮演著半導體產業的重要火車頭。而對於未來半導體成長的主要動能則會在汽車電子與智慧汽車、行動通訊（mobile communications）、人工智慧（artificial intelligence, AI）、物聯網（internet of things, IoT）、大數據（big data）、雲端儲存應用（cloud storage application）等，特別是在汽車電子與智慧汽車，未來的汽車將與人工智慧結合，將與萬物相連，包括自動駕駛、環境辨識、安全控制、雲端資料等，汽車將結合智慧化、自動化、共享化等資源，讓未來汽車更安全與便利，而其中半導體的新成長動能將迅速啟動。圖1為全球半導體市場與成長率情形，根據Gartner與工研院IEK的預估，2017年全球半導體市場的產值大約有3,501億美元，在新應用市場逐漸開展出來之際，將較2016年成長5.5%左右，在未來幾年也將維持正成長，到2020年全球產值將可望達到3,843億美元。半導體晶圓製造會越來越壟斷地集中在幾家領導廠商手上。因為也只有少數幾家才能不斷地研發推動技術的向前發展。擁有20 nm以下能力的廠家，只有台積電、三星、Intel等寥寥幾家，高階製程寡佔的情形將會越來越高。

台灣IC產業產值這這幾年來一直都是領先全球的景氣發展，最主要我們在IC設計、晶圓代工製造、IC封裝業都有全球領先的企業，完整的產業鏈創造出台IC產業的環境。表1為2011-2017年台灣IC產業產值，2016年台灣IC產業產值達24,493億台幣，較前一年成長8.2%，其中晶圓代工產值達11,487億台幣，較前一年成長13.8%、IC封裝業產值達3,238億台幣，較前一年成長4.5%。預估2017年台灣IC產業產值可達25,916億台幣，成長率可望達到5.8%，其中晶圓代工產值達12,724億台幣，較前一年成長10.8%、IC封裝業產值達3,482億台幣，較前一年成長7.5%。由於台灣在半導體全球領先，也帶動台灣半導體設備產業的發展，在半導體前段製程，半導體設備的投入以檢測、自動化、零組件為主，在先進封裝設備則以吸引台灣電子設備廠商積極投入生產製造設備與檢測設備的開發。

全球半導體設備廠商將有10年好光景
半導體製程進入到10奈米以下，生產製造設備的開發由於必須要投入非常多的人力與財力，使得在幾個關鍵製程設備都是被少數幾家歐美日大的設備場所寡佔了，而這些國際級的半導體設備廠商由於長期跟著優質客戶一起成長，使得技術門檻越墊越高，也拉開了與競爭對手或後進者的差距。表2為全球主要的半導體設備廠商，這些廠商在半導體前段設備市場都已經深耕了20年，特別是排名前五名的應用材料公司（Applied Materials）、艾斯摩爾（ASML）、東京威力科創（TEL）、科林研發（Lam Research）、科磊（KLA-Tencor）在微影曝光機、鍍膜機、蝕刻機、檢查機等，是其他設備廠商較難撼動的市場。而這些國際大廠是以美國、荷蘭、日本為主，而這些國家也主導了全球80%以上設備零組件的供應鏈。在半導體產業的發展過程中，半導體設備的不乏新廠商投入，但是最後能夠成功並長期立足市場屹立不搖的卻是很少，最主要是半導體製程從90 nm、45 nm、28 nm、20 nm一路進步到14 nm、10 nm、7 nm甚至到5 nm，半導體的生產製造商就已經先進行淘汰賽了，而半導體設備的新製程研發通常又必須與生產製造商配合，所以研發的能力與財力就相形重要了，半導體設備廠商在發展過程中也就逐漸有的被淘汰、有的互相策略聯盟、有的就被併購掉了。例如微影曝光機設備供應商現在只剩ASML、Nikon、Canon，但是在20 nm以下則由ASML一家獨大，Nikon、Canon轉向到液晶面板市場。而薄膜鍍膜機、離子蝕刻機早期的廠商也很多，但是最後只剩下東京威力科創（TEL）、科林研發（Lam Research）、日立先端技術（Hitachi High Technologies）等。這種部分半導體設備場獨大情形，也間接可能造成壟斷性整合，使得進入障礙更高。

中國大陸半導體設備商正在衝撞壟斷性結構
未來中國大陸是半導體最重要的市場，各國的半導體設備廠商都已經磨刀霍霍希望能夠有更多的訂單機會。大陸12吋晶圓廠將會持續加速建設與發展，從國際大廠英特爾、三星到台灣的聯電、力晶和台積電，半導體廠商在中國大陸投資設廠的消息不斷。2016-2017年宣佈新建的晶圓廠至少就有15座以上，其中高達一半以上可能都將落腳中國大陸。表3為中國大陸現有12吋晶圓廠，除了中芯、華力微外，三星、英特爾、海力士都已經在大陸插旗了。而在大陸的半導體國家大資金的運作之下，除了台積電在大陸建廠是採獨資外，與台灣的半導體廠合作將是接下來大陸半導體廠遍地開花的主要關鍵。表4為中國大陸興建中12吋晶圓廠，在建中的半導體廠許多都有台灣半導體的影子。表5為中國大陸傳出興建計畫的半導體廠，未來中國大陸的半導體廠不管成敗如何，但是對於半導體設備暨零組件的廠商肯定是非常好的機會。

中國大陸在未來十年將是全世界新建半導體廠最活絡的地區，大陸政府也有感於半導體設備被國際大廠所掌握，投資半導體設備的資金有百分之八十至九十以上都必須用於向國外購買生產製造設備，所以也在扶植大陸本土的半導體設備廠商，大陸在半導體設備的高階人才有許多是海歸派回大陸創業，特別是有許多團隊都又國際半導體設備大廠的背景，在前段設備的研發與量產上其實已經不輸台灣，甚至超越台灣。表6為中國大陸主要的半導體設備廠商，在政策扶植以及本土化的半強迫下，陸資為主的半導體廠成為大陸半導體設備最好的試驗場，也有許多大陸半導體設備也攻進了台灣的半導體廠內了，此外大陸半導體設備廠商還善用了台灣在半導體零組件的優勢與供應鏈的品質完整性，這對台灣半導體設備的發展真是憂喜參半呀。

近幾年來大陸在發展半導體產業都把發展半導體設備與零組件當成最重要的工作之一在進行，因為他們海歸派的團隊和政府的專家都深刻體認到半導體設備產業的發展將是大陸半導體產業未來是否能夠成功的關鍵，這思維是從需求方來帶動供給方的成長，將使得產業自然練兵，未來還可以扮演智慧機械發展的火車頭，表7為中國大陸已進入半導體集成電路生產線的關鍵設備，包括等離子蝕刻機、多片清洗設備、離子植入機、點膠機、PVD鍍膜機、快速退火爐先進封裝用的曝光機、打線機等，在前段設備的進展比台灣還快。

大陸在2015年成立「國家集成電路產業投資基金」，並配合許多科技重大專項的實施，將會使得大陸在半導體產業也取得了較快的發展，至2016年底，兩年來共投資了43個項目，累計投資額超過800億人民幣，投資項目涵蓋IC設計、製造、封裝測試、設備、材料、基礎建設建設等，未來產業鏈也會日益完善，這也是全球半導體廠紛紛到大陸卡位的主要原因。而有大陸國家資金投入的項目未來的競爭力將不容小噓，具體有以下企業：
(1) 晶片製造領域：中芯國際、中芯北方、長江存儲、華力二期、士蘭微電子、三安光電、耐威科技。
(2) 晶片設計領域：紫光展訊、中興微電子、艾派克、湖南國科微、北斗星通、深圳國微、盛科網絡、矽谷數模、芯原微電子。
(3) 封裝測試領域：長電科技、南通富士通、華天科技、中芯長電。
(4) 半導體設備領域：中微半導體、瀋陽拓荊、杭州長川、上海睿勵、北京七星華創與北方微電子整合。
(5) 材料領域：上海矽產業集團、江蘇鑫華半導體、安集微電子、煙台德邦。

加速半導體產業的智慧化
受惠於通訊技術的進步，半導體產業應該是智慧化升級最快的行業之一。在台灣半導體產業發展早期，由於通訊和自動化技術仍不夠成熟，且8吋晶圓搬運容易所以在半導體晶圓製造廠的自動化程度就沒有想像的高。但是後來晶圓廠發展到45 nm、20 nm、10 nm以下，對於製程的管控與要求越來越高，所以對於生產製造的每一個細節都會要求得非常仔細，於是對於自動化與智慧化的要求就越來越高，到了12吋晶圓廠的設廠，就成了建廠的基本要求，必須視為理所當然的規劃，所以在自動化和智慧化的升級就減少了許多。在上表中我們可以發現到了最近新設的12吋晶圓廠的自動化程度都應該已經達到98%以上，在智慧化程度可以達到95%以上。這是全球化的競爭，對於在建廠的規劃就必須要把自動化和智慧化的能力視為基本的配備來規劃，採用技術只有更好沒有最好的觀念不斷被創新。

8吋晶圓廠和12吋晶圓廠早期廠，現在有許多自動化改造的需求，特別是以往靠人工搬運晶圓的情形將會逐漸改為用AGV、RGV或採用天車來運送，而且也會在設備機台前面加裝緩衝區（buffer area），讓整個生產更有效率。而在8吋晶圓廠智慧化部分，由於製程技術的問題，有需多半導體製造廠都自己有團隊在做改善，以往機台間可能通訊協定沒有那麼暢通，特別是離線（off-line）的檢查數據並無法立即連線反饋，所以在管理上會有時間差的盲點，但是隨著通訊技術與大數據收集分析的技術越來愈好，這部分的智慧化能力也不斷的提升。

而半導體前段設備的主要供應廠商幾乎都是國際知名大廠，Applied Materials、ASML、TEL、Lam Research、KLA Tencor等佔據了主要的市場供應鏈，這些廠商與用戶的互相搭配與共同開發，也讓各家用戶保留了一些自有的技術與獨特的競爭力。未來在半導體智慧化的趨勢中，將會逐漸把離線檢測，整合成能夠線上（on-line）檢測，其中所收集到的數據，將會變成未來製程再作補償或是即時預知的判斷依據。

半導體後段的封裝測試製程由於自動化程度不高，所以人力需求較多。但是由於許多封測廠當初在建廠規劃與設備採購時並沒有考量到設備機台間的通訊協定與智慧化需求，所以現在開始在進行自動化和智慧化的改善工程，但是未來對新設備廠應該都會把它列為建廠的基本配備，目前台灣設備廠商也在協助封裝測試廠解決自動化改造與智慧化的提升。

但是對於台灣整體半導體設備的發展，前段製程設備必須要投入的研發人力與資金投入真的不是台灣的電子設備廠商可以負擔的，所以台灣設備廠商的投入幾乎都是以零組件為切入點。而未來先進封裝設備會是未來台灣設備廠商積極投入的半導體切入點。特別是扇形封裝（fan-out、fan-in）設備、檢測設備等，已經看到許多電子設備廠商的積極投入了，未來的發展將會非常迅速，也有機會能夠在封裝設備佔有一席之地。表8為半導體前段與封測設備自動化與智慧化情形。

在發展半導體先進製程時，將會給設備與材料廠商帶來改變
在晶圓廠投入先進封裝後，由於在製程上的思維和思考點不同，將會改變未來許多設備和材料廠商的生態，若是在佈局策略上錯誤或是沒有跟上腳步可能許多投資都將付諸流水。特別是扇形封裝技術出來後，將會對整個半導體供應鏈造成很大的影響。特別是IC載板廠商，因為扇形封裝技術已經不再需要傳統的IC載板了，所以IC載板業者勢必會面臨轉型衝擊。再來就是被動元件業者，為了滿足未來封裝技術的需求，它必須將被懂元件縮小到微米尺度，且必須要具備高電容值/阻值。未來扇形封裝技術會優先在需要高I/O樹的產品優先採用特別是強調輕薄短效的產品，例如手機或高效率處理器優先採用，若是封裝廠無法提出好的解決方案，未來的封裝技術將會由晶圓代工廠所主導。

晶圓級封裝（fan-out wafer level package, FO-WLP）技術也開始受到關注，為了縮小IC晶片封裝的厚度，未來先進封裝技術將不會再採用傳統的載板，而隨著未來封裝機台必須處理封裝厚度越來越薄，所以對於許多的設備廠商反而是新的機會。目前已知良率最大的問題在於晶圓取放時的力道控制，若控制不當很容易導致元件受損，此外對於設備精密度的要求也更高了。這也說明未來封裝機台的設計，必須融入許多自動化和智慧化的技術，一來晶圓片必須被機械手臂小心取放，又要要求高速度生產效率，所以機台要同時滿足小心取放與高速度取放，如此就必須特別在運動控制與力道控制及精度上下功夫。晶片封裝技術要更突破，爲晶片功能整合添加新的動能，包含多晶片封裝（multi-chip package, MCP）、系統封裝（system in package, SiP）與晶圓級封裝等封裝技術，都具備在單一蕊片封裝內實現高度異質整合的能力，讓晶片在體積不變的情况下，具備更多元的功能，這些未來技術的改變，對我們是機會更是挑戰。

結語
大陸半導體產業崛起已經是既定的事實，我們不能裝瞎當作看不見，台灣的半導體產業發展，絕對不能再像當年面板產業的限制，一個政策的失誤，讓整個台灣的面板產業陷入泥沼中。現在是全球化的世界，各國的技術、人才、資金、市場都是既競爭卻又必須要合作，台灣的半導體產業其實因為地緣優勢在分享中國大陸這塊市場大餅上確實有其先天上的優勢，台灣半導體廠商也必須結合設備、材料廠商一起用策略合作、打群架的觀念，將技術、人才緊密的捆綁在一起，才能夠應付未來半導體產業的國際化競爭的趨勢，並且一定要脫穎而出。