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晶圓製造2.0再增自動化需求
半導體產業追求永續發展

【作者: 陳念舜】   2024年09月30日 星期一

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經歷2021年晶片供應鏈瓶頸之後,歐美各國紛紛要求須掌握一定程度的自主半導體能力;以及生成式AI問世以來,先進製造/封測產能供不應求,加劇新建晶圓廠林立,也凸顯當地製造人力、量能不足,現場生產管理複雜難解等落差,全球布局也勢必要追求永續發展。



尤其在地緣政治和全球供應鏈風險加劇背景下,位在台灣的半導體產業同時位居關鍵地位,未來發展方向也難免受到技術創新、全球市場需求變化等多重因素影響,未來發展潛力甚大,但挑戰亦多,對「Taiwan+1」的要求迫使台灣半導體業不得不重蹈過去台灣80~90年代傳產、3C代工產業陸續外移的覆轍,遠走世界各地建廠。


中華經濟研究院第二研究所分析師黃仁志指出,從大趨勢來看,台灣在優良晶片技術代工下,產值仍會成長,但面對各國大廠持續布局AI晶片製造跟能力,台灣可能面臨全球市占率衰退的狀況,如何鞏固自身優勢將是未來重要課題。


此外,與過去產業外移最大不同處在於,這波半導體業並非逐當地廉價人力、土地成本而居;甚至因為到歐、美等地設廠時欠缺勤勞、純熟技藝工程師,導致業者建廠初期還須仰賴大批台籍工程師駐廠,引發當地工會抗議。


更凸顯過去自工業4.0革命問世以來,國內外雖有無人晶圓廠、關燈工廠等名詞不斷推陳出新,但就連目前於先進製程領導者的半導體產業也未能實現,或根本無必要真正貫徹全廠全時的無人化,而須選擇於適合的製程逐步演進自動化。


由於全球各主要國家和地區都在積極推動半導體製造的本土化趨勢,隨著半導體技術不斷演進也面臨更複雜的挑戰,需要供應鏈上下游通力合作與擴大戰略布局。此對於大多數公開上市的半導體大廠而言,該如何在有限的設備資本支出與先進製程技術支出中取得平衡,並快速可見優化現有產線作業,提高生產效率,將成為每位經營管理者所面臨的難題。


凸顯的是對更先進的半導體設備需求提升。也使得今年SEMICON Taiwan規劃重中之重的「AI半導體技術概念區」,紛紛從AI晶片製造、設計、專用硬體及整合服務等面向,展示最新技術與產品;並深入探討生成式AI、邊緣AI解決方案等應用。



圖一 : 今年SEMICON Taiwan規劃重中之重的「AI半導體技術概念區」,紛紛從AI晶片製造、設計、專用硬體及整合服務等面向,展示最新技術與產品。(攝影:陳念舜)
圖一 : 今年SEMICON Taiwan規劃重中之重的「AI半導體技術概念區」,紛紛從AI晶片製造、設計、專用硬體及整合服務等面向,展示最新技術與產品。(攝影:陳念舜)

前段製程技術下放 加速自動化設備演進

其中晶圓代工廠為了維持日以繼夜運作,雖然號稱自動化程度最高,倘若沒有維護工程師隨時待命,支援現場檢測設備和更換零件,晶片製程出錯的機會太多了。為了維持高良率,更加深對於當地成熟供應鏈、人力的需求有增無減,工廠智能化也要與時俱進。例如過去因為封測廠在製程精密度、搬運效率和毛利率要求都不及晶圓廠,所以更傾向於使用人力的景況已然不再。


現今主要應用於半導體物料搬運中的搭配組合AMR、OHT,已在晶圓代工大廠行之有年而相當成熟,即使過往OHT以日系設備大廠為主力,也累積不少專利,卻未構成近年來才跨足OHT的台廠門檻,也可見傳統晶圓代工廠更換全新OHT系統的機率不高,反而是近來後來居上的後段封測廠自動化潛力、才是台系設備廠轉型升級的主力。


由於過往封測廠在製程的要求、精密度都不及晶圓廠,再加上毛利率、製程特性不同等,更傾於使用人力。但隨著封裝製程愈來愈精密及當下的缺工等問題,為了減少人力搬運、提升搬運效率等,如今封測廠更積極評估納入OHT系統,導入AMR已算普遍,又以封測龍頭廠日月光高雄廠最具代表性,讓台系設備商OHT、AMR的組合有更大發揮舞台。尤其是在距離長、量多、重量大的生產站,例如封測段的凸塊封裝(Bumping)製程,最能將OHT的優勢發揮淋漓盡致;且因為有特定的軌道運作,OHT也比AMR的運輸管理規劃來得簡單。



圖二 : 隨著封裝製程愈來愈精密及當下的缺工等問題,為了減少人力搬運、提升搬運效率等,如今封測廠更積極評估納入OHT系統(攝影:陳念舜)
圖二 : 隨著封裝製程愈來愈精密及當下的缺工等問題,為了減少人力搬運、提升搬運效率等,如今封測廠更積極評估納入OHT系統(攝影:陳念舜)

台廠龍頭宣示晶圓製造2.0 為設備廠逐鹿國際奠基

值得一提的是,近期隨著全球AI熱潮,也讓輝達公司(NVIDIA)為首的AI產業鏈被法、美國反壟斷機構盯上,輪番發起反壟斷調查。就連遠在台灣的晶圓代工龍頭台積電也恐被波及,而首度揭露「晶圓製造2.0(Foundry 2.0)」新定義,藉此稀釋風險,將為全球反壟斷及關稅衝擊提前布下防火牆。


如今在台積電2.0新定義中將納入所有邏輯IC晶圓製造的流程,還有更多專業封測代工廠(OSAT)、光罩製作業者,以及所有除了記憶體製造之外的整合元件製造商,料將2023年台積公司在晶圓製造 2.0(也就是邏輯半導體製造)所占市場份額降至28%。


但整體產業規模以2023年將近2,500億美元為例,則可望比之前定義的1,150億美元大幅成長;預測2024年晶圓製造產值年增近10%,台積電將專注在後端先進封裝製程技術的策略不變,更可以全面掌握不斷擴展的未來市場機會(addressable market)。


SEMI全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸表示:「台灣半導體產業經過半世紀的累積,從 IC 設計、晶圓製造與封測,逐步發展至整合元件製造,建立了完整的一條龍供應鏈。如今,隨著產業邁入所謂『晶圓製造2.0』的新紀元,這一架構不僅進一步擴展並升級了台灣半導體的產業版圖,也賦予台灣半導體在全球舞台上成為市場規則制定者的潛力,展現更強的競爭力與影響力。」


其中基於2023年生成式AI問世以來,隨著高效能運算(HPC)、AI Server等需求帶動Info、CoWoS、SoIC等各種先進封裝技術,台積電CoWos先進封裝產能吃緊,已是近2年來半導體業界緊盯的產業脈動指標。


台積電高層日前公開表示,確定到2026年,都會高速擴充先進封裝產能,且建廠速度會壓縮加速推進,以CoWoS產能來說,過去約3~5年蓋一個廠,現已縮短到2年內甚至1.5年就要完成。就連用來彌補產能缺口的面板級先進封裝製程也備受關注,據統計2024年FOPLP面板級封裝市場規模約為11億美元、2029年達到69.4億美元,2024~2029年複合成長率約44.56%。


因此讓設備廠看好接下來將是黃金十年,除了與一線晶圓代工廠、OSAT緊密合作練兵,未來也有機會往海外市場邁進。只是當各國爭相補助設廠,晶圓廠遍地開花,未來是否面臨產能過剩、殺價競爭,值得追蹤觀察。


地緣政治衝突導致產能不均 放眼多元化新興市場需求

根據國際半導體產業協會(SEMI)報告,2024年全球半導體設備市場規模料將年增3%至1,095 億美元,明年則將在先進邏輯晶片及封測領域帶動下大幅年增16%至1,275億美元。中國大陸還將成為建設新晶圓廠的最大投資者,今年在半導體製造設備的總支出將達 500億美元(約1.62兆元新台幣),也不免讓業界擔心成熟晶片會否遭遇產能過剩的問題。


依SEMI預估2025~2027年間,半導體製造業者將支出創紀錄的4,000億美元在晶片製造設備上,大陸(1000億美元)及台灣地區(750億美元)、韓國(810億美元)有望持續維持晶片設備投資前3名的位置,但大陸在2025年將會先放緩以消化產能;包括歐(270億美元)、美(630億美元)、日本(320億美元)等地年度半導體設備支出則將大幅增長,從今年SEMICON Taiwan 2024國家館數量從去年的10個增加至12個可見一斑,台灣半導體業未來勢必要結合供應鏈轉型升級,朝向更全球化、多元化市場發展。


依SEMI歐洲區總裁Altimime表示,2023年《歐洲晶片法》生效,歐盟預計2030年前投入440億歐元支持歐盟成員國生產晶片,以達到晶片自主及晶片生產市占率全球20%的目標。德國做為歐洲半導體重要生產國,預計2027年前投入200億歐元強化半導體產業鏈。


包括波蘭與捷克今年都是第二次設立國家館,且兩國都派出次長級官員親自來台,顯示中東歐國家對於台積電在德勒斯登設廠的重視,潛在外溢效果早就引起捷克及波蘭等其他國家的高度興趣;加上英特爾也計劃在波蘭南部等設立組裝及測試廠,可望促成波蘭與德國、捷克共同組成微電子產業聚落,並期盼未來與台灣建立堅強的經濟夥伴關係。


至於在德設廠可能面臨人力不足的問題,台積電 EMEA(歐洲、中東和非洲)法務總顧問 Mr. Gunnar C. Thomas指出,今年3月開始台灣大學和德勒斯登工業大學建立密切的合作,讓德國學生飛往台大上課一個學期,接著在台積電進行暑期實習,通過利用台積電的專業知識和歐洲的優勢,絕對能夠增強安全性、韌性和技術領導力



圖三 : 包括波蘭與捷克今年都是第二次設立國家館,顯示台積電在德勒斯登設廠的潛在外溢效果,早就引起中東歐國家的高度興趣。(攝影:陳念舜)
圖三 : 包括波蘭與捷克今年都是第二次設立國家館,顯示台積電在德勒斯登設廠的潛在外溢效果,早就引起中東歐國家的高度興趣。(攝影:陳念舜)

重塑半導體產業文化 致力留才攬才

此外,隨著半導體產業的重要性與日俱增,各國想方設法引進巨額投資,但勞資對於獎金和資源該如何分配勢必有歧見,工程師難免抱怨管理層毫不重視工人的貢獻;包括全球大多數的半導體中心過去幾十年都沒有工會的情況已經開始改變,後續是否演變成罷工、威脅到產值,則是雙方都必須衡量的問題。


如紐約時報近期揭露台積電赴美建廠的進度受阻,即因美國員工難以適應台積電在台灣實行的管理文化而選擇離職。台積電前研發總監楊光磊指出:「台積電必須找到一種方法,建立適合廠區在地的製造文化」,如此才能真正成為全球化的企業。


就連SEMI國際半導體協會日本公司總裁Jim Hamajima也坦言:「儘管台積電和日本政府支持的半導體新創公司Rapidus 等都在不斷對人才培育進行投資,當前日本半導體面臨人才短缺問題仍沒有改善的跡象。」原因是2000年代後,隨著日本國內半導體產業開始陷入困境,許多經驗豐富的工程師離開該行業或尋求海外發展,因此他建議日本應放寬對印度工程師和學生的簽證政策。


雖然台灣憑藉堅實技術基礎與完整產業鏈,成為全球半導體產業重要的供應鏈,未來不僅要持續提升半導體實力優勢發展AI;同時也要跟國際供應鏈夥伴在台灣深耕頂尖技術,奠定長遠經濟發展基礎,所以需要培育更多人才,支持百工百業導入AI應用。


經濟部長郭智輝與教育部長鄭英耀、國發會副主委詹方冠,近期也共同邀集工總、商總、電電公會、電腦公會、半導體協會、機械公會、工具機公會等21家產業公協會及NVIDIA、AMD、Microsoft、Infineon、台達電、新應材等11家國內外業者,針對台灣為了因應少子化與產業人才缺乏的挑戰,共商人才培育的重要議題。



圖四 : 台灣持續強化半導體人才培訓,並期待透過跨國合作解決人才短缺的問題。由左至右依序為:德國薩克森自由邦科學部部長Sebastian Gemkow、台積電人力資源資深副總經理何麗梅、德勒斯登工業大學校長Ursula Staudinger簽署半導體人才培育計劃協議。(source: static.rti.org.tw)
圖四 : 台灣持續強化半導體人才培訓,並期待透過跨國合作解決人才短缺的問題。由左至右依序為:德國薩克森自由邦科學部部長Sebastian Gemkow、台積電人力資源資深副總經理何麗梅、德勒斯登工業大學校長Ursula Staudinger簽署半導體人才培育計劃協議。(source: static.rti.org.tw)

經濟部長郭智輝坦言,依台灣少子化的趨勢,大概很難維持未來十年的AI人才所需,所以經濟部除了透過產業條例租稅優惠措施,以及晶創計劃協助業者之外,也會強化半導體人才培訓,期待透過跨國合作解決人才短缺的問題,確保國家未來20年在世界上的高度競爭力。並與教育部、國發會合作,提出短期及中長期策略、目標及作法。


第一階段將由經濟部與教育部合作,規劃產業別精準媒合,協助企業留用在台國際人才,並將協助國際生認識職場,進一步訓練符合企業需求的專業能力,擴大國際生留台。


中長期規劃2+4方案,針對東南亞尤其是菲律賓、馬來西亞、泰國等地的優秀國際生規劃客製化課程,培養國際生的專業知識與技能,學生畢業後可進入產業貢獻所學。就學期間的學雜費由政府提供,生活津貼則由企業提供,幫助企業找到合適人才,並保證留台就業(培育2年,留台工作4年或2年)。經濟部期望每年培育2.5萬名國際人才,支持台灣成為「經濟日不落國」。


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