同时挑战台积电与索尼,三星拼了!

2019年05月15日 作者:satoll

三星电子的投资计划和宏伟目标

2019年4月24日,三星电子公布了未来的投资计划和目标。三星电子的投资计划,将在未来12年内(1999年至2030年)将投资133万亿韩元(约1200亿美元)加强系统LSI和晶圆代工业务方面的竞争力,扩大非存储器业务。其中:73万亿韩元(约660亿美元)的国内研发,60万亿韩元(约540亿美元)的生产基础设施,预计每年平均投资11万亿韩元(约100亿美元)。

总体来说,三星电子的目标就是:保持存储芯片全球第一的位置的同时,在晶圆代工领域挑落台积电,在CMOS图像传感器领域击败索尼,在营收方面维持对英特尔的领先,坐稳全球第一大半导体厂商的宝座。

三星电子半导体事业部发展历程

三星电子有限公司半导体事业部是指元件解决方案事业群(Device Solution Business)下面的内存部门(Memory)、系统逻辑部门(System LSI)和晶圆代工部门(Foundry);其中内存包括DRAM、NAND Flash,系统逻辑芯片包括系统级芯片SOC、图像传感器CIS、显示驱动芯片、智能卡芯片、电源管理芯片。

三星电子半导体事业部年收入占三星电子总收入的30%左右,对三星电子公司旗下的信息和手机(IT&Mobile)、消费类电子产品(Consumer Electronics)两大事业部的终端产品而言,是拉大后位竞争者距离,缩小前方领先者差距,并强化重点终端产品差异化程度的重要角色。

三星电子成立于1969年,1974年通过收购韩泰半导体公司(Hankook Semiconductor)50%的股份,成立半导体事业部,开始进军半导体产业;1975年开发出手表芯片;1977年7月开始生产双极晶体管;1979 年收购全资拥有韩泰半导体,并更名三星半导体;1983年正式进军存储器行业,开发出韩国第首个64K DRAM;1988年半导体业务和电子及无线通讯业务合并成立三星电子;1994年开始研发DSP;1995年推出第一个8位MCU;1997年推出700MHz Alpha处理器;2000年发布0.25µm 66MHz手机应用处理器S3C44B0X;2002年成立SoC研发中心;2005年进入CMOS传感器领域,并开始晶圆代工业务。

三星半导体在全球拥有七大生产基地,分别位于韩国器兴、韩国华城 、韩国安阳、韩国平泽、美国奥斯汀、中国苏州、中国西安。

三星电子半导体事业部目前是全球最大的存储芯片制造商,2018年位居全球营收排行榜第一位。

强化晶圆代工,挑落台积电

1.三星电子晶圆代工发展历程

2005年,三星电子开始进入12英寸逻辑工艺晶圆代工领域,至今已经整整15年了,通过专注于先进的工艺节点,致力为客户提供最优化的产品和服务,目前晶圆代工业务已经成长为面向全球FABLESS产业的低功耗、高性能SOC的代工公司之一。

从2005年到2009年,三星电子的年代工营收不足4亿美元。到2010年啃上苹果(Appple),开始代工苹果A系列处理器(包括A4、A5、A6、A7),代工营业收入出现爆长,2010年整体代工收入激增至12亿美元(其中苹果A系列处理器产品代工收入达8亿美元)。由于苹果手机等移动终端产品出货激增,三星电子的晶圆代工营收水涨船高,到2013年达到39.5亿美元,当年苹果的代工收入占到公司代工总收入的86%。可以说2010--2013年三星电子的代工营收完全是靠苹果在支撑。

由于20纳米工艺制程良率无法突破等多方面的原因,2014年三星电子失去苹果A系列处理器订单,苹果A8处理器全部交由台积电(TSMC)代工;2015年好不容易抢到A9处理器部分订单,但由于良率和功耗控制不如台积电,导致2016年的A10处理器又全部由台积电包圆。由于失去苹果这个大客户,导致2014年和2015年晶圆代工营收出现下滑。

为了填补产能,三星电子代工部门积极出击,抢下高通(Qualcomm)应用处理器和服务器芯片、超微半导体(AMD)的微处理器芯片、英伟达(Nvidia)的图形处理芯片、安霸(Ambarella)的视觉处理芯片、特斯拉(Tesla)的自驾系统芯片的订单,得以弥补苹果跑单的窘境。2016年营收达到44亿美元,超过2013年的水平,创下三星电子晶圆代工营收的新纪录。

2.晶圆代工拆分

2017年5月12日,三星电子宣布调整公司业务部门,将晶圆代工业务部门从系统LSI业务部门中独立出来,成立三星电子晶圆代工。据悉,新部门主要负责为全球客户--高通和英伟达等--制造非存储芯片,从而与以台积电为首的纯晶圆代工公司竞争。

根据市场研究公司IC Insights的数据显示,三星电子2017年晶圆代工营收达46亿美元,在全球晶圆代工市场以6%的市占率排名第四,前三分别是台积电(TSMC)的56%,格芯半导体(GlobalFoundries)的9%,联电(UMC)的8.5%;2018年晶圆代工营收达100亿美元,市占率达14%,排名全球第二。

2018年三星电子排名全球第二大晶圆代工公司,并非业绩大增,实乃拆分部门导致。原因是晶圆代工部门自立门户,不再隶属于系统LSI业务。所以现在包括处理器芯片(Exynos等)、CIS图像传感器、显示驱动芯片、电源管理芯片的生产收入都算作晶圆代工部门营收,因此营收一路高涨,市占率一夕飙高。

但千万别因此就小瞧三星的晶圆代工。

下面我们来谈谈三星电子的晶圆代工的产能和工艺等情况。

3.晶圆代工工厂和产能

截止2018年底,三星电子晶圆代工专属线有5条,包括4条12英寸和1条8英寸。

韩国器兴(Kiheung)的S1,建成于2005年,是三星首条12英寸逻辑代工生产线,目前量产65纳米至8纳米低功耗芯片,产品主要用于计算机网络、智能手机、汽车、以及日益成长的物联网市场等。

美国奥斯汀(Austin)的S2是由原8英寸厂改造而来;2010年8月开始洁净室建设,2011年4月开始12英寸逻辑产品投产,当年达产43000片;目前量产65纳米至14纳米产品。2010年设立研发中心,旨在为系统LSI部门开发高性能、低功耗、复杂的CPU和系统IP架构和设计。

韩国华城(Hwasung)的S3,是2018年建成投产的12英寸逻辑生产线,目前主要生产10纳米至8纳米产品,将是三星7纳米产品的主力生产厂。

韩国华城的S4,是原DRAM用产线FAB11进行改造,目前CMOS影像传感器(CIS)专用生产线。位于华城的12英寸DRAM产线FAB13也正在加紧改造为CMOS影像传感器专用生产线。

韩国华城的EUV专用产线自2018年2月开工建设以来,正在加紧建设。工厂将投资60亿美元,将于明年下半年完成建设、2020年正式投产。初期以7纳米产品为主,辅以EUV光刻机。

韩国器兴的8英寸晶圆代工线FAB 6于2016年开放,从180纳米到70纳米节点都可涵盖,工艺技术包括嵌入式快闪记忆体(eFlash)、功率元件、影像感测器CIS,以及高电压制程的生产,主要针对韩国本土的FABLESS。

目前,三星电子代工业务可以提供包括65纳米、45纳米、32/28纳米 HKMG、14纳米FinFET、10纳米FinFET、7纳米FinFET EUV工艺,客户包括苹果、高通、超微半导体、赛灵思、英伟达、恩智浦(NXP)以及韩国本土公司Telechips等。

到2019年底,三星电子晶圆代工专属线将增至7条,包括6条12英寸和1条8英寸。

4.晶圆代工工艺:追求先进制程永不停歇

2005年三星电子进入晶圆代工业;2006年首个客户签约65纳米;2009年45纳米工艺开始接单,同年11月在半导体研究所成立逻辑工艺开发团队,以强化晶圆代工业务;2010年1月首个推出32纳米HKMG工艺。

由于苹果订单的丢失,三星在工艺研发方面加大投入,试图证明基其技术领先地位。

2014年推出第一代14纳米FinFET工艺,称作14LPE(Low Power Early,低功耗早期),并于2015年成功量产;2016年1月推出第二代14纳米FinFET工艺并量产,称作14LPP(Low Power Plus,低功耗增强),功耗降低15%,用于Exynos 8 OCTA及高通骁龙(Snapdragon)820处理器;2016年5月推出第三代14纳米FinFET工艺并量产,称作14LPC;2016年11月推出第四代14纳米FinFET工艺,称为14LPU(Low Power Ultimate,低功耗终极)。并在14纳米的基础上,推出微缩版11LPP。

2016年10月17日,第一代10纳米FinFET工艺量产,称为10LPE,首款产品是应用处理器Exynos 8895,另一客户就是高通骁龙830,新工艺性能可以提供27%,功耗将降低40%;2017年11月,开始批量生产第二代10纳米FinFET工艺,称为10LPP,性能提高10%,功耗降低15%,首款产品是Exynos 9810,另一客户就是高通骁龙845;2018年6月,推出了第三代10纳米FinFET工艺,称为10LPU,性能再次得以提升。三星电子采用10纳米的三重图案光刻技术。

三星电子强调,10纳米工艺系列(包括8纳米衍生产品)的生命周期很长。8LPP/8LPU在生产工艺转换为EUV光刻技术之前,具有最大的竞争优势。但我们要注意到,台积电10纳米工艺的营收已经逐季下滑,给人已经放弃的感觉。而7纳米工艺制程已经成为台积电第一大营收来源。

那么我们来看看三星电子的10纳米以下工艺的布局情况。

8LPP:8LPP在生产工艺转换为EUV(Extreme Ultra Violet)光刻技术之前,具有最大的竞争优势。结合三星10nm技术的关键工艺流程创新,与10LPP相比,8LPP在性能和门电路密度方面提供了额外的优势。2018年11月成功量产Exynos 9系列(9820)。

7LPP:7LPP将是第一个使用EUV光刻解决方案的半导体工艺技术。这里要强调两点,一是通过和ASML的合作,开发出了250W最大的EUV源功率,这是EUV进入到大量生产中的最重要的里程碑,EUV光刻技术的部署将打破摩尔定律扩展的障碍,为单一的纳米半导体技术的发展铺平了道路;二是关键IP将于2019年上半年完成研发,下半年将进行投产。

5LPE:5LPE将采用三星独特的智能缩放(Smart Scaling)解决方案,将其纳入基于EUV的7LPP技术之上,可实现更大面积扩展和超低功耗优势。

4LPE/LPP:4LPE/LPP是三星电子最后一次应用高度成熟和行业验证的FinFET技术,结合此前5LPE工艺的成熟技术,芯片面积更小,性能更高,可以快速达到高良率量产,也方便客户升级。

3LPP:3LPP将第一次使用全新的MBCFETTM(Multi Bridge Channel FET,多桥接通道场效应晶体管)结构,基于三星电子特有的GAAFET(Gate All Around FET,环绕栅极场效应晶体管)技术。GAAFET需要重新设计晶体管底层结构,克服当前技术的物理、性能极限,增强栅极控制,性能大大提升。预计2020年投入风险性试产。

来源:三星电子PPT

5、加强封装技术,布局FOPLP

2019年4月,三星电子收购三星电机(SEMCO)的FOPLP业务。三星电子希望作凭籍搭配FOPLP封装技术,再次挑战台积电的InFO,希望抢下2020年苹果A系列处理器的代工订单。

首先我们来了解一下FOPLP。FOPLP是Fan-Out Panel Level Packaging(面板级扇出型封装)的缩写。

据悉,FOPLP可降低封装厚度、增加导线密度、提升产品电性能,面板大工作平台可提高生产效率,可运用于5G、AI、生技、自驾车、智慧城市及物联网等相关产品。由于有着成本上的优势,看好面板级扇出型封装技术未来发展。目前积极布局FOPLP的公司除OAST公司安靠(Amkor)、日月光(ASE)/Deca、长电科技(JCET)、纳沛斯(nepes)、力成科技(PTI)、硅品(SPIL)外,还有PCB供应商三星电机(SEMCO)、欣兴电子(Unimicron)。

三星电机(SEMCO,Samsung Electro-Mechanics)成立于1973年,是三星电子的兄弟公司。三星电机主要由四个业务部门组成:元件解决方案部门,生产无源元件,如多层陶瓷电容(MLCC)和电感;基板解决方案部门,生产高密度互连板(HDI)、封装基板和RFPCB;模组解决方案部门,生产摄像头模组、WiFi模组;FOPLP部门,2016年新设立,从事面板级扇出型封装技术研发。

三星电子在和台积电争抢苹果A系列处理器订单失利后,痛定思痛,决定成立特别工作小组,目标开发先进封装FOPLP技术,且2018年正式应用于三星智能型手表Galaxy Watch的处理器封装应用中。

于是三星电机于2016年正式成立FOPLP部门,并收购三星面板(Samsung Display)位于韩国天安(Cheonan)的液晶面板厂,进行改造,建设FOPLP生产线,2017年10月开始搬入设备,2018年10月正式量产。

三星电机研发FOPLP最初是用来生产电源管理芯片(PMIC),进入2018年之后,开始为三星Galaxy Watch制造用于应用处理器(AP)芯片,预计2019年全面跨入异质集成、晶圆堆叠的3D SiP系统级封装。

三星电机用于Galaxy Watch的FOPLP有3个重布线层(RDL)和1个背面RDL(Backside RDL)。三星电机表示,将标准的层叠(PoP)结构应用于AP和PMIC的多芯片封装,可以将封装的厚度减少20%以上,从而提高了电气和热性能,并有助于扩大产品的电池容量。

三星电机目前使用510x415mm规格的面板制造FOPLP,800x600mm规格的面板已经开发成功。据悉面板尺寸可以根据客户要求更改。

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