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        半導體芯片產業鏈深度解析

        來源:未知  瀏覽數:  發表日期:
          半導體芯片行業作為半導體行業的主要代表,是整個電子信息技術行業的基礎。
          根據摩爾定律,當價格不變時,半導體芯片上可容納的元器件的數目約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。
          自戈登·摩爾提出該定律半個多世紀以來,半導體行業的發展基本符合該定律,這得益于半導體特征線寬(簡稱線寬)不斷地向更微小的級別突破。
          根據世界半導體貿易統計協會(WSTS)最新公布的報告:2020年世界半導體產業增長5.1%,達4331.45億美元。
          同時,WSTS預測2021年世界半導體產業將增長8.4%,達到4694.03億美元,并超過2018年的4687.9億美元,創出歷史新高紀錄。
          從歷史數據來看,全球半導體市場呈現出明顯的周期性。
          中國半導體芯片產業在智能汽車、人工智能、物聯網、5G通信等高速發展的新興領域帶動下,近年市場增速維持在15%以上。
          在全球半導體市場進入增長期且產能進一步向中國大陸轉移的背景下,中國半導體市場未來幾年增長空間廣闊。
          
          半導體芯片產業鏈
          半導體芯片產業鏈環節包括IC設計、晶圓制造及加工、封裝及測試環節,擁有復雜的工序和工藝。
          產業鏈上游設計是知識密集型行業,需要經驗豐富的尖端人才。中游晶圓制造及加工設備投入巨大,進入門檻極高,并且鍍膜、光刻、刻蝕等關鍵設備由少數國際巨頭把控。下游封裝及測試環節我國起步較長,行業規模優勢明顯。
          資料來源:WIND,光大證券
          半導體芯片上游:芯片設計
          芯片設計主要根據芯片的設計目的進行邏輯設計和規則制定,并根據設計圖制作掩模以供后續光刻步驟使用。
          根據SEMI數據,我國芯片設計行業保持了較快的增長態勢,2020年我國芯片設計行業銷售額首次突破500億美元,全行業設計企業數量為2218家,同比增長24.6%。
          
          半導體芯片運作模式
          上世紀80年代,電子行業出現了幾種新的分工模式,包括IDM模式、Fabless模式和Fundary模式。
          在臺積電成立以前,半導體行業只有IDM一種模式。IDM模式的優勢在于資源的內部整合優勢,以及具有較高的利潤率。
          IDM(IntegratedDeviceManufacture)模式,即由一個廠商獨立完成芯片設計、制造和封裝三大環節,英特爾、三星和德州儀器是全球最具代表性的IDM企業。

          資料來源:天風證券
          Fabless(無晶圓制造的設計公司)是指專注于芯片設計業務,只負責芯片的電路設計與銷售,將生產、測試、封裝等環節外包的設計企業,代表企業有高通、博通、英偉達、AMD等。
          Foundry即晶圓代工廠,指只負責制造、封測的一個或多個環節,不負責芯片設計,可以同時為多家設計公司提供服務的企業,代表企業有臺積電、中芯國際、格羅方德等。
          半導體產業運作模式代表企業:
          
          設計與制造的分工逐漸盛行,自身沒有工廠的Fabless設計公司和專門提供半導體生產服務的代工企業分工合作的生產方式慢慢地發展了起來。
          這種分工的好處是使得設計公司可以避免大規模的工廠投資,將更多精力聚焦在芯片設計方面,而代工企業憑借規模優勢,在生產方面降低成本。
          日本的半導體企業則沒有采用這種設計和制造分工的方式,仍然堅持垂直一體化的生產方式。這樣做的結果是當銷售額減少的時候,由于前期的巨額投資,折舊費用依然龐大,導致企業利潤承壓,對后續的生產經營造成影響。
          
          半導體芯片中游:晶圓制造及加工
          芯片制造實現芯片電路圖從掩模上轉移至硅片上,并實現預定的芯片功能,包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學機械研磨等步驟。
          晶圓制造是半導體制造過程中最重要也是最復雜的環節,其主要的工藝流程包括熱處理、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學機械研磨和清洗。

          資料來源:《半導體芯片制造技術》,西南證券
          根據ICinsights數據,全球前十大硅晶圓制造廠中臺積電、聯電和力晶來自中國臺灣地區,格羅方德(GlobalFoundries)來自美國,三星(Samsung)來自韓國,中芯國際和華虹半導體來自中國大陸,Towerjazz來自以色列。
          2020第四季度全球晶圓代工營收排行中,中芯國際和華虹半導體分別位列第5名和第9名。
          近年來隨著半導體產能逐漸向中國大陸轉移,中國大陸迎來投資建廠熱潮,以半導體芯片中的核心材料晶圓為例,2017-2020年全球擬投產晶圓廠近42%集中在中國大陸。
          中國大陸在建及規劃晶圓廠情況:

          資料來源:芯思想
          半導體芯片下游:封裝及測試
          芯片封測完成對芯片的封裝和性能、功能測試,是產品交付前的最后工序。
          封裝測試位于半導體產業鏈的中下游,包括封裝和測試兩個環節。
          根據Gartner測算,封裝和測試在整個封測流程中的市場份額占比約為80%~85%和15%~20%。
          封裝是對制造完成的晶圓進行劃片、貼片、鍵合、電鍍等一系列工藝,以保護晶圓上的芯片免受物理、化學等環境因素造成的損傷,增強芯片的散熱性能,以及將芯片的I/O端口引出的半導體產業環節。
          
          半導體測試貫穿了半導體整個產業鏈,芯片設計、晶圓制造以及最后的芯片封裝環節都需要進行相應的測試,以保證產品的良率。
          目前國內封測市場在全球占比達70%,行業的規模優勢明顯,更多是通過資源整合和規模擴張來推動市占率的提升。
          中國封裝業起步早、發展快,中國大陸封測環節在全球已經具備一定的競爭力2020年全球前十大封測企業中,中國大陸企業長電科技、通富微電和華天科技分別位列3、6、7名。
          全球封測行業歷年競爭格局變化:

          資料來源:方正證券
          中國大陸封測三強客戶:
          資料來源:天風證券
          隨著上游的芯片設計公司選擇將訂單回流到國內,大批新建晶圓廠產能的釋放以及國內主流代工廠產能利用率的提升,晶圓廠的產能擴張也勢必蔓延至中下游封裝廠商,將帶來更多的半導體封測新增需求。
          
          半導體設備:半導體產業重要支撐
          半導體設備是集成電路產業的重要支撐,價值量較高。且具有較高的技術壁壘,研發難度大周期長,直接關系到芯片設計能否落成實物,產品可靠性和良率能否達到設計標準,以及國內行業是否能夠參與全球競爭。
          根據iBS數據,先進工藝的集成電路大規模生產線投資可達到百億美元量級,其中70%-80%是半導體設備相關投資,用于芯片制造的設備占半導體設備總支出的81%。
          半導體設備集中應用于晶圓制造和封測兩個環節,其市場規模隨著下游半導體的技術發展和市場需求而波動。
          在晶圓制造環節使用的設備被稱為前道工藝設備,在封測環節使用的被稱為后道工藝設備。前道工藝設備進一步細分為晶圓處理設備和其他前端設備,如光刻機等;后道工藝設備分為測試設備和封裝設備。
          SEMI在2020年12月15日發布報告,預測2020-2022年半導體設備市場規模持續上升,在2020年市場規模達到689億美元,2022年達到761億美元。
          
          半導體設備競爭格局
          全球半導體設備廠商主要集中在美國、日本和荷蘭。
          美國的半導體設備廠商主要有應用材料、泛林半導體、科磊和泰瑞達,覆蓋的設備主要包括晶圓制造和封測環節的刻蝕設備、離子注入機、薄膜沉積設備、掩膜版制造設備、檢測設備、測試設備、清洗設備等。
          日本的半導體設備廠商主要包括東京電子、DNS、愛德萬和日立高新,主要覆蓋的設備包括刻蝕設備、薄膜沉積設備、清洗設備、熱處理設備、涂膠機/顯影機、退火設備、檢測設備、測試設備等,另外尼康和佳能兩家日本公司還可以供應中低端光刻機。
          荷蘭的半導體設備廠為阿斯麥,阿斯麥作為全球光刻機龍頭,壟斷了高端光刻機市場,并且在中低端市場也占據相當大的份額。
          
          全球測試機市場被愛德萬、泰瑞達和科休壟斷,三者市場占有率分別為50%,40%和8%。國內測試機生產商主要有華峰測控和長川科技。
          全球封裝設備主要由國外企業壟斷,全球封裝設備主要由ASMPacific、K&S、Shinkawa、Besi等國外企業壟斷,國內具備封裝設備制造能力的企業主要有中電科45所、艾科瑞斯和大連佳峰。東京精密,46%東京電子,27%臺灣旺矽,10%臺灣惠特,4%深圳矽電,3%其他,10%。
          當前我國半導體設備依舊高度依賴于海外企業,并且在核心技術和零部件上受到一定的限制。
          
          單晶生長爐
          單晶生長爐是生產單晶硅的主要半導體設備。
          目前全球的單晶生長爐主要由美國Kayex、德國PVATePla、日本Ferrotec等企業供應,國內的單晶生長爐企業主要包括晶盛機電、南京晶能、連城數控等。
          單晶硅棒完成后,還需要經過一系列加工才能得到硅片成品,主要涉及的半導體設備有切片機、研磨機、濕法刻蝕機、清洗機、拋光機和量測機。
          目前上述硅片加工設備主要由日本、德國和美國廠商提供,國內僅有晶盛機電等少數廠家推出了部分硅片加工設備,市場占有率較低。
          硅片制造相關設備主要生產商:
          資料來源:德邦證券
          半導體集成電路制造工藝繁多復雜,其中光刻、刻蝕、薄膜沉積是半導體制造的三大核心步驟。
          這三大核心領域的設備成為推動28nm及以下先進工藝發展的主要力量,分別占半導體晶圓處理設備的23%、24%、18%。
          晶體管線寬在28nm以內的稱為先進制程,目前臺積電、三星兩家晶圓廠最先進工藝可將制程推進到5nm級別,其中臺積電為全球最大晶圓代工廠,全球代工市占率達50.5%。
          根據IHSMarkit統計,28nm制程的集成電路晶圓代工市場將保持穩定增長,預計2024年全球市場規模將達到98億美元。14nm及以下更先進制程的集成電路晶圓代工市場將保持快速增長,預計2024年全球市場規模將達386億美元。
          
          光刻機
          光刻工藝流程中最核心的半導體設備是光刻機,光刻機是半導體設備中技術壁壘最高的設備,其研發難度大,價值量占晶圓制造設備中的30%。
          目前全球的高端光刻機由荷蘭阿斯麥(ASML)公司壟斷,ASML是全球最大的光刻機生產商,是全球唯一能夠生產EUV光刻機的廠商,EUV光刻機是先進制程工藝中的核心設備。
          中低端光刻機除ASML外,還有日本的Canon和Nikon可以供應。
          目前國內具備光刻機生產能力的企業主要是上海微電子裝備有限公司。除上海微電子生產光刻機整機以外,國內還有華卓精科和國科精密從事光刻機零部件的研發和生產。

          圖表來源:上海微電子設備官網
          刻蝕機
          刻蝕工藝使用的半導體設備為刻蝕機。
          全球刻蝕設備行業的主要企業即泛林半導體(LamResearch),東京電子(TEL)和應用材料(AMAT)三家。
          從全球刻蝕設備市場份額來看,三家企業的合計市場份額就占到了全球刻蝕設備市場的90%以上。
          其中泛林半導體獨占52%的市場份額,東京電子與應用材料分別占據20%和19%的市場份額。
          國內的刻蝕設備企業主要有中微公司、北方華創、屹唐半導體和中電科。其中,中微公司、北方華創和屹唐半導體均以生產干法刻蝕設備為主,中電科除了生產干法刻蝕設備以外還生產濕法刻蝕設備。除上述企業外,國內還有創世微納、芯源微和華林科納等企業生產刻蝕設備。
          
          薄膜沉積
          薄膜沉積設備是晶圓制造過程中的核心設備,在各晶圓制造流程設備中市場規模最大,占比達到26%。
          薄膜沉積是一種添加工藝,是指利用化學方法或物理方法在晶圓表面沉積一層電介質薄膜或金屬薄膜,根據沉積方法可以分為化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。
          按工藝類型分,化學氣相沉積市占率最高,達到57%;其次是物理氣相沉積,市占率為29%;原子氣相沉積(ALD)市占率最低,為14%。
          根據Gartner數據,2020年薄膜沉積設備市場規模約為216億元,全球薄膜沉積設備市場均呈現國際寡頭壟斷的局面。代表性企業有AMAT、LAM、ASM、TEL等。
          國產CVD設備生產商主要有北方華創和沈陽拓荊。北方華創主要生產APCVD設備和LPCVD設備,沈陽拓荊則以PECVD為主,根據中國國際招標網數據,沈陽拓荊已有3臺PECVD設備進入長江存儲。
          
          從半導體最初的發源地美國,再到日本、韓國、中國臺灣地區,在半導體行業發展的70多年間一共經歷了3次產業中心的重大轉移。
          在國家集成電路產業投資基金的帶動下,中國大陸半導體芯片產業生產線的投資布局將進一步拓展,半導體芯片相關產品技術將繼續加快變革,中國大陸IC芯片和IC封裝領域均有望實現突破,半導體芯片產業將迎來新一輪的發展高潮。
          在未來十幾年,汽車電子和工業電子有望成為半導體行業增長最迅速的兩大領域,而消費電子、數據處理和通訊電子的增速將趨于穩定。根據德勤咨詢預測,2022年全球半導體行業銷售收入將達到5426.4億美元,下游應用市場的變革將進一步推動芯片的需求。
        博发