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半導體/PCB

“缺電”將成臺灣半導體產(chǎn)業(yè)最大威脅!

星之球科技 來源:中國半導體論壇2017-12-12 我要評論(0 )   

隨著半導體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,對于電力供應的需求也是與日俱增。如果電力供應跟不上,那么半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也必將會受到巨大的阻礙。目前臺灣最引以為傲的半導體產(chǎn)業(yè)正在...

隨著半導體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,對于電力供應的需求也是與日俱增。如果電力供應跟不上,那么半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也必將會受到巨大的阻礙。目前臺灣最引以為傲的半導體產(chǎn)業(yè)正在遭遇“缺電”威脅,而且隨著臺灣半導體產(chǎn)業(yè)對于電力需求的快速增長,以及臺灣當局“2025非核家園”計劃的推進,未來這一威脅仍將會進一步加劇。這也為臺灣半導體產(chǎn)業(yè)的未來的發(fā)展蒙上了一層陰霾。
815臺灣大停電或許只是個開始
根據(jù)世界能源署統(tǒng)計,2012年臺灣人均年耗電量已經(jīng)達到約10800千瓦時,超過日本、韓國,成為亞洲非產(chǎn)油國家和地區(qū)人均耗電量之最。而2014年中國大陸的人均年耗電量才4740千瓦時,不到臺灣2012年的一半。其中,臺灣龐大的半導體產(chǎn)業(yè)正是耗電大戶,而臺灣普通民眾的耗電量高企則是由于“被平均”了。
根據(jù)2011年的數(shù)據(jù),電腦通信及電子產(chǎn)業(yè)、化學材料、金屬和鋼鐵工業(yè)三個領域的企業(yè)年耗電總量占全臺灣總用電量的33.1%,而且每年還會增加30億千瓦時以上,確實是用電大戶。
需要指出的是,由于臺灣缺乏能源產(chǎn)業(yè),煤礦、水電也比較匱乏,這也導致了臺灣所需的能源99%需要靠進口。但是,長期以來,臺灣的電價卻由于政治原因(不能漲價),一直處于全球較低水平。根據(jù)國際能源總署2016年8月發(fā)布的統(tǒng)計資料顯示,2015年臺灣工業(yè)電價為全球第8低,居民電價更是全球第3低。而長期低電價的結果是,臺灣的供電公司——臺電既要維持相當規(guī)模的發(fā)電量,又不能漲電價,經(jīng)濟高效的核電又不能用,導致公司的運營入不敷出。根據(jù)臺電公司今年8月公布的數(shù)據(jù)顯示,今年上半年虧損近71億元新臺幣,累計虧損達1010億元新臺幣,再加上各種長短期債務,賬上欠債高達1.06萬億元新臺幣,負債比率高達85%。臺電的持續(xù)虧損,也導致難以有資金加大投入,提升發(fā)電量,再加上電力需求的大幅增長,導致臺灣用電也開始越來越緊張。
2017年7月底8月初,尼莎、海棠兩股臺風先后在臺灣登陸,一架位于宜蘭東澳的輸電鐵塔被臺風吹倒,造成臺灣供電吃緊,一時鬧起了電荒。初步評估修復此供電鐵塔至少需要15天。
隨后在8月15日,臺灣發(fā)生全島性大規(guī)模停電,受影響家庭近700萬戶(幾乎是臺灣全部人口)。為了保護臺灣的支柱產(chǎn)業(yè)——半導體產(chǎn)業(yè),政府將當晚殘存的電力全都供給了三大科學園區(qū)的半導體Fab廠。這也使得全球最大的晶圓代工廠臺積電在這次停電中毫發(fā)無傷,全球芯片封測巨頭日月光集團僅有南科的部分園區(qū)出現(xiàn)了60分鐘停電,隨后很快就恢復了供電。只有南茂科技位于南科園區(qū)的工廠出現(xiàn)了一些損失??偟膩碚f,這次大停電對于臺灣的半導體產(chǎn)業(yè)影響并不大。
但是,此次大停電卻著實嚇到了臺灣的半導體產(chǎn)業(yè)。
因為,芯片在生產(chǎn)過程中,一旦發(fā)生斷電,就意味著生產(chǎn)線上所有的晶圓可能全部都要報廢。首先,芯片F(xiàn)ab的生產(chǎn)需要超凈生產(chǎn)環(huán)境,任何自然災害對建筑的晃動都有可能造成超凈環(huán)境被污染,而維持超凈環(huán)境本身也是需要消耗大量電力。而一旦停電,超凈環(huán)境就可能會被污染,整個產(chǎn)線上的晶圓可能就要報廢。同時,芯片生產(chǎn)設備的斷電將會帶來更大的損失。以一臺ASML ArF-immersion 1980Di光刻機產(chǎn)線為例,如果發(fā)生斷電,再恢復、重啟、ramp up所需的設備代價可能高達千萬美元以上。而對于擁有眾多設備的整個工廠來說,損失將會更大。
此前,在2016年,西安市高壓變電站設備一度起火爆炸,西安市東部和南部電壓陡變,導致西安三星存儲芯片廠的緊急停機,產(chǎn)線上晶圓全部作廢,按照當時的64層NAND芯片價格估算,那次事故三星損失高達3億美元。
而且這些芯片廠線停產(chǎn)時間的長短還將直接影響全球芯片的供應和價格。比如,2015年,臺灣高雄地震,臺積電中科、南科廠停產(chǎn),導致全球邏輯芯片價格上漲10%~20%。同樣,韓國第二大芯片廠商海力士位于無錫的晶圓廠發(fā)生爆炸后,全球存儲芯片價格瞬間就跳漲了25%。
早在2015年底的時候,當時的總統(tǒng)馬英九到參觀臺積電中科廠。當時臺積電董事長張忠謀就指出,目前臺灣最大的隱憂之一就是缺電,臺灣2017年可能面臨限電危機。張忠謀當時在接受采訪時就表示,停電對于臺積電的影響“幾乎不可估計”。雖然臺積電每個廠都有備用電源,但是面對產(chǎn)線所需的巨大電能,備用電源在停電時也撐不了多久。此前臺積電還曾提出過自建電廠的計劃,但是卻并未獲批。
8月15日大停電后,用電大戶、面板大廠友達董事長彭雙浪也表示,“臺灣用電是民生補貼工業(yè)。其實,供給和需求應該用價格來調(diào)整,用電量越高的人支付越高的單價。我們不怕貴,是怕不穩(wěn)定”。
顯然,電力供應的穩(wěn)定性對于半導體廠商,乃至整個半導體產(chǎn)業(yè)來說都至關重要。而隨著半導體產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展,對于電力的需求也將呈現(xiàn)急劇增長的態(tài)勢,若臺灣不能保障足夠的電力供應,“缺電”將成為阻礙臺灣半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大障礙。
半導體產(chǎn)業(yè)對于電力需求的急劇增長,將進一步加大缺口
半導體的制造,本來就是高度耗電的過程。在臺灣半導體廠商當中,臺積電一直都是最大的用電大戶。資料顯示,過去五年,全臺灣增長的電量,其中1/3都被臺積電給消耗了。根據(jù)臺積電企業(yè)社會責任報告書,2016 年用電量高達88.53 億度,較前一年增加了11%。臺積電僅在竹科的Fab耗電功率已經(jīng)超過72萬千瓦。
而隨著摩爾定律的發(fā)展,半導體的制程推進也越來越困難,預計5nm工藝將必須引入新的EUV (極紫外光)微影技術才能實現(xiàn),但是這也將導致用電量的暴增。
據(jù)了解,目前半導體制程的主流光源是氬氟雷射,波長為 193 納米,當晶體管尺度已微縮到幾十納米時,就像用一支粗毛筆寫蠅頭小字一般,生產(chǎn)起來有點力不從心。而極紫外光的波長僅有 13.5 納米,這也使得 EUV光刻機成為了攻克7nm、5nm、3nm工藝的關鍵。
目前能夠生產(chǎn)的EUV光刻機的只有荷蘭ASML一家,而EUV光刻機的造價也是非常之高昂。ASML目前最先進的EUV光刻機NXE 3400B一臺售價高達1.1億美金,而且還供不應求。據(jù)報道顯示,此前ASML接到了5臺EUV光刻機的訂單,其中臺積電訂走了5臺,耗資5.5億美元。這個價錢,幾乎可以買下兩臺世界最大民航機──空巴 A380。
 
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而EUV光刻機除了售價高昂之外,其耗電也是非常之驚人!
雖然,ASML并未公布 EUV光刻機機臺的耗電功率,但世界第二大內(nèi)存制造商、南韓的 SK 海力士曾在 2009 年的 EUV Symposium 表示,“EUV 的能源轉換效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。”而造成轉換率低的一大原因是,極紫外光本身的損耗過大。
“極紫外光物理特性與一般常見的紫外光差異極大。這種光非常容易被吸收,連空氣都不透光,所以整個生產(chǎn)環(huán)境必須抽成真空;同時,也無法以玻璃透鏡折射,必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡,來修正光的前進方向,而且每一次反射仍會損失 3 成能量,但一臺 EUV 機臺得經(jīng)過十幾面反射鏡,將光從光源一路導到晶圓,最后大概只能剩下不到 2% 的光線。”這也是 EUV 機臺如此耗電的主因之一。
如果按照前面的EUV能源轉換效率只有0.02% 來計算,目前先進的能輸出 250 瓦功率的 EUV的機臺,需要輸入0.125萬千瓦的電力才能達到,這個耗電量是傳統(tǒng)氬氟雷射的 10 倍以上。換句話來說,就是一臺輸出功率250W的EUV機器工作一天,將會消耗3萬度電,這個數(shù)字確實嚇人。
根據(jù)芯智訊了解,要想達到 250 瓦功率的 EUV輸出,需要將多臺13kW CO2激光器串聯(lián)接通達到所需的功率要求,最終從等離子體源產(chǎn)生所需的EUV光輸出。高科技產(chǎn)生極紫外光的過程非常低效,過去被人們比擬為“用核反應堆提供動力”,但也成為了滿足半導體工業(yè)批量生產(chǎn)要求擴展EUV輸出功率的唯一可行方式。
另外需要指出的是,如此大的耗電量也不可避免的帶來了很大的發(fā)熱量,因此需要部署相應的冷卻系統(tǒng),而這也將非常的耗電。
另外,根據(jù)預計,一個7nm的產(chǎn)線可能只需要1臺ASML EUV光刻機NXE 3400B即可,但是到了3nm制程產(chǎn)線,除非ASML推出更先進的EUV光刻機,否則一條3nm制程產(chǎn)線需要4臺NXE 3400B,耗電量將更是驚人。有報道稱,一個3nm制程Fab的用電量將相當于整個臺東(花蓮、宜蘭、屏東)的用電量,這確實是太恐怖!這也是為何此前業(yè)內(nèi)曾有傳聞稱臺積電計劃將3nm新廠放到美國的一個原因。
不過,在臺灣政府承諾解決水電等相關問題后,也考量到對臺灣經(jīng)濟的重要性,臺積電在今年9月底終于宣布將新規(guī)劃的3nm工廠將落腳在臺灣的南部科學工業(yè)園區(qū)臺南園區(qū),預計投資200億美元,2022年前完工。但是,臺灣政府想要實現(xiàn)這個承諾卻并不容易。
因為除了規(guī)劃中的3nm制程Fab之外,臺積電還要新建一座5nm制程Fab(南科Fab14)和一座7nm制程Fab,同時其他的Fab也都會進行產(chǎn)線擴張,比如臺積電的中科廠 Fab 15在2017年完成對10nm制程的5期、6期擴建 。
此外,臺灣其他的半導體廠商也有一些相應的擴建計劃。顯然,隨著新的制程工藝的推進,工廠的擴建和設備升級,臺灣半導體產(chǎn)業(yè)的對于電力的需求將會出現(xiàn)暴漲。而與此同時,臺灣的電力供應卻面臨巨大的問題,并且未來幾年內(nèi)可能都難以得到改善。
“2025非核家園”導致缺電加重
2011年3月,受東日本大地震影響,日本福島第一核電站損毀,核電站的三個反應堆因過熱發(fā)生堆芯熔毀,放射性物質泄漏到外部,發(fā)生嚴重核泄漏事故。在福島核電站周圍20公里內(nèi)的21萬民眾被迫撤離。受此事件的影響,核電安全問題也引起了多個國家和地區(qū)民眾的恐慌,隨后日本、德國、臺灣都紛紛考慮“棄核”(放棄核電)。
福島核電站事故發(fā)生之后,當時的民進黨主席蔡英文為了獲得支持率,就拋出了“2025非核家園計劃”,強調(diào)如果贏得“總統(tǒng)”大選,將最終在2025年完全停止核能發(fā)電。“2025非核家園”隨后也成為了蔡英文競選“總統(tǒng)”的一大競選口號和承諾。
 
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為了獲得支持率,在大肆渲染核能危害的情況下,2014年的民進黨組織了反核大游行活動,直接導致了臺灣耗費巨資建設的“核四”廠停工,變成現(xiàn)在的“爛危樓”。“非核家園”、“用愛發(fā)電”這些美麗而動聽的口號,成了蔡英文當選臺灣地區(qū)領導人的一個重要因素。
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2016年1月16日,蔡英文以大幅領先優(yōu)勢順利勝出,順利當選“中華民國”“總統(tǒng)”。蔡英文便得以名正言順的繼續(xù)推動“2025非核家園計劃”。今年2月,臺灣地區(qū)立法機構正式通過的相關條文明確,核能發(fā)電設備應于2025年以前全部停止運轉,以實現(xiàn)蔡英文提出的“2025非核家園”目標。
火電不斷加碼,污染加重
按照“2025非核家園”的規(guī)劃,到2025年臺灣天然氣發(fā)電占總發(fā)電比例的50%,燃煤30%,綠色能源20%。目前臺灣的核能供電占總電量的16%(有資料為14%),綠色能源供電僅占不到3%,顯然要在2025年這樣的目標似乎是不可能。
 
根據(jù)臺電所發(fā)布的報告顯示,目前臺灣火力發(fā)電約占72.6%,這其中,燃煤占40.3%、燃油占3.2%。根據(jù)報道顯示,為了應對“非核家園”之下的缺電危機。臺灣桃園大潭電廠7部燃氣機組已于11月初超過環(huán)評承諾空污排放上限,至今已超標排放336噸氮氧化物,粗估增加8萬噸碳排,且仍持續(xù)增加,若燃煤改燃氣機組,也有空污排放超標問題。臺電表示,超出排放標準將面臨地方政府罰款命運,不過為穩(wěn)定供電,只能持續(xù)發(fā)電,并于非尖峰時段降載因應。麥寮六輕的燃煤火力發(fā)電廠的年度燃煤額度,也早早提前燒完,在10月28日就把一整年的煤都給燒光了。
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污染加重,火電又被限,明年缺電更嚴重
為了保證供電,火電的不斷加碼,超標排放,直接導致了臺灣空氣污染問題的加劇。臺灣民眾對霧霾怨聲載道,當局迫于壓力之下又要讓臺中火力電廠減少生煤的使用量。臺中火力電廠9部機組明年遭減500萬噸生煤使用量,將短少約45億度電;興達電廠也已有2部機組被高雄市府要求至明年3月要減煤約15萬噸,將再短少3.6億度電。中火被減煤量相當于一部55萬千萬火力發(fā)電機組的發(fā)電量。這將導致臺灣明年供電狀況更加嚴峻。
重啟核能是一個好的選擇嗎?
那么重啟核能是一個好的選擇嗎?現(xiàn)實恐怕并不是。
根據(jù)資料顯示,除了已停工的“核四”廠,臺灣還有3座核電廠共6部機組。在“2025非核家園”計劃的推動下,今年6月前,僅有“核三廠”1號機組正常運轉。隨后進入夏季,臺灣開始鬧電荒,蔡英文當局被迫啟用了“核二廠”1號機組以及“核三廠”2號機組。
但是,臺灣的“核一廠”和“核二廠”將面臨著必須按期除役的問題,否則發(fā)生事故的可能性會急劇升高。明年年是核一廠如期除役之年,近幾年核一廠發(fā)生的多次嚴重事故,實在讓人不敢恭維。如近五年來螺栓斷裂高達12次,執(zhí)行核燃料挪移與填換過程中,甚至發(fā)生一束燃料棒把手松脫事件,而機組里還有81束同型問題燃料棒。在2011年,核一場被科學雜志《Nature》指名為“全球第二危險電廠”的電廠。
無法處理使用過后的燃料棒,這是臺灣需要廢核的重要原因之一,而由于兩岸關系問題,更不可能跟大陸合作來處理。臺灣也曾經(jīng)試圖找朝鮮和蒙古合作,將核廢料運走處理,但最后計劃都無疾而終。目前的三座核電廠,總發(fā)電量約5144百萬瓦,每年用過燃料棒約150噸,從1978年核電廠啟用以來,三處核電廠的用過燃料棒都放在原子爐上方的燃料冷卻池,而且超級爆滿,密度是世界第一:“核一廠”燃料池有5514束,“核二廠”7544束,“核三廠”有2401束,全部15459束,核一、核二廠的池內(nèi),束與束都快碰在一起了。
顯然,在這種情況下,重啟核能雖然能夠暫時解決能源危機,但也存在著巨大的風險。同時也是目前力推“2025非核家園”的蔡英文政府不愿選擇的一個選項。
小結:
能源危機之下,臺灣確實被逼到了一個困局之中。核恐慌之下,即便核能發(fā)電清潔又便宜,可是老舊的核電廠隨時都有出事故的危機,核燃料棒存放更是個懸在頭上的利劍。而過度依靠火力發(fā)電勢必又將帶來更為嚴重的環(huán)境污染問題,帶來嚴重的霧霾危害民眾健康。限制火電又面臨缺電危機。而剩下的諸如風能、水力與太陽能在臺灣發(fā)展更為緩慢。霧霾天之下,太陽能又無法發(fā)電。臺風天之下,天然氣又無法進港。只能依靠火力發(fā)電,燃燒大量的煤炭和天然氣。能源問題無法解決,就沒法談論發(fā)展的問題。試問,倘若臺灣無法保證電力的穩(wěn)定供應,又如何支撐半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呢?

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