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半導體行業系列報告(二):半導體產業鏈|如睿研究
發布來源: 如睿咨詢 發布時間:2021-07-08

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引言


2019年,半導體行業全球整體銷售額為4090億美元。據市場研究機構IBS統計,從2006年起,中國大陸已成為全球最大的集成電路市場,在2019年消費了全球52.93%的半導體元器件,是半導體行業增長的主要動力。

隨著5G、人工智能、物聯網等新興需求的崛起,半導體行業將進入新一輪周期,我國有望成為最大的受益者?;谑袌鲂枨蟮尿寗?、產業基礎的支撐、政策及資本的扶持,半導體產業正處于“國產化替代”發展的重要窗口期,是值得長期關注的投資領域。


Chapter 2  半導體產業鏈
制造一款半導體芯片,首先需要EDA軟件完成芯片的布局設計,然后由晶圓制造廠生產,最后送到封測廠完成封裝、測試及出貨。整個產業鏈條很長,需要各環節廠商緊密合作,其中,材料和設備都是影響制造工藝的關鍵因素。

2.1 半導體產業鏈結構及市場規模

半導體產業鏈上游主要包括設備、材料和設計工具環節;中游主要包括芯片設計、制造、封裝測試環節。其中,設計是高度技術密集型、制造是資本及技術密集型、封裝測試是勞動密集型。半導體產業的下游是計算機、通信、汽車、消費電子等領域。
全球半導體產業鏈的設計、制造、封測環節合計接近5000億美元,上游材料、設備、設計工具及IP合計約1200億美元。下圖展示了半導體產業鏈構成及各環節的市場規模:

圖表13 半導體產業鏈全球市場規模

資料來源:IC Insight、拓墣產業研究院、SEMI、Synopsys公司公告、如睿咨詢
2.2 產業鏈的運作模式及市場格局

2.2.1 產業鏈中游環節—設計、制造、封測

半導體“設計-制造-封測”環節主要有垂直整合制造和分工制造兩類運作模式。

①垂直整合制造模式(IDM,Integrated Device Manufacture):一家企業獨立完成設計、制造及封測。該模式對資本、技術、人才的要求很高,目前只有頭部芯片設計企業按該模式運作,包括英特爾、三星、海力士、美光、德州儀器等;

②分工制造模式:由無晶圓廠的芯片設計公司(Fabless)、晶圓代工廠(Foundry)、封測廠(OSAT)合作,共同完成芯片的設計、制造及封測。目前絕大部分芯片設計企業均采用Fabless模式,代表企業包括博通、高通、英偉達、海思等,Foundry代表企業為臺積電。

半導體產業的核心環節是設計及制造,且龍頭企業高度集中。據IC Insight統計數據,2020年上半年全球十大半導體公司總銷售額1470億美元,占全球半導體市場規模的60%以上。全球十大半導體公司中,除臺積電之外均為半導體設計公司,其中5家IDM企業銷售額約占前十半導體公司總銷售額的67%,4家Fabless企業約占19%。臺積電作為Foundry企業的代表,約占14%。

圖表14 2020年上半年全球十大半導體企業

資料來源:IC Insight、如睿咨詢

2.2.2 產業鏈上游環節—設備、材料

設備和材料的研發對半導體制造工藝的演進至關重要。晶圓制造企業、設備商、材料商之間的關系有如下三個特點:

某種程度上,設備商及材料商是晶圓制造企業的外部研發中心。先進制程的關鍵工藝突破需要三方的配合研發,晶圓制造企業專注于上千道工藝環節的整體良率及生產效率,設備商及材料商專注于配套設備及材料的技術攻關。具體來說,材料的性能參數、設備的技術參數等都要達到制程工藝的要求,而任意材料或設備的改變,都意味著大量相關工藝甚至整體工藝的再研發。

先進制程的設備商及材料商有很高的客戶粘性。設備及材料的定制化,設備商及材料商與客戶的配合研發關系,形成了極高的供應商轉換成本。

先進制程的核心設備商和材料商呈寡頭甚至單一壟斷格局,對晶圓制造企業有話語權。

(1)設備

半導體行業素來有“一代設備,一代工藝,一代產品”的產業規律,即制造工藝須超前下游產品進行開發,而設備須進一步超前制造工藝進行開發。半導體設備市場規模主要受晶圓制造企業的新投產線規劃影響。

半導體設備市場規??傮w上呈增長趨勢,但呈顯著的周期性、與全球GDP每年增幅的起落周期相近。2019年,半導體設備全球市場規模為598億美元,且近3年半導體行業位于資本開支的周期高點,設備市場規模均在500億美元以上。

半導體設備行業處于寡頭壟斷格局,主要因為新建的晶圓制造產線均以先進制程為主,而晶圓制造企業集中度高、先進制程工藝依賴設備商的研發能力、定制化設備的轉換成本高。2019年,五大半導體設備廠商收入共計472億美元,占全球市場約78%。該五大廠商包括阿斯麥(ASML)、美國應用材料(AMAT)、美國泛林(LAM)、日本東京電子(TEL)、美國科磊(KLA)等,在光刻機、刻蝕、沉積、清洗、過程控制等主要工藝的市場占比普遍在70%以上,更是壟斷了最先進制程產線的設備供給。

(2)材料

半導體材料主要分為晶圓制造材料和封裝材料。作為成品原料、制程耗材,半導體材料行業市場規模與晶圓制造產能、封裝產能息息相關。

隨著晶圓制造產線的不斷擴容、先進制程比重的不斷提升,半導體制造材料的消費量逐年走高,而同期封裝材料的消費量基本保持穩定。據SEMI統計,晶圓制造材料銷售額從2013年的227億美元增長到2019年的328億美元,年復合增長率為6.33%,同期封裝材料銷售額始終維持在190億至200億美元。

半導體材料的細分領域多、領域間技術跨度大,材料研發上有一定偶然性、需持續的研發投入形成技術突破,因此各細分領域均有各自的龍頭企業,且多為大型化工巨頭旗下的細分業務之一。

圖表15 全球部分半導體材料行業競爭格局

資料來源:SEMI、如睿咨詢

2.3 芯片的制造過程

2.3.1 芯片的設計、制造、封測

芯片的制造過程主要包括設計、制造、封測等三大環節,從最初的原材料提純到最終的成品包裝,工藝步驟可達上千步。

(1)芯片設計:設計邏輯電路以實現特定的功能,需使用EDA工具軟件、并復用成熟的集成電路設計模塊(即IP,Intellectual Property,指已驗證的、可重復利用的、具有某種確定功能的集成電路模塊),最終將設計圖轉化為電路圖、形成用于光刻機制作電路的光罩。芯片設計位于半導體產業的最上游,是半導體產業最核心的基礎,擁有極高的技術壁壘,需要較長時間的技術積累和經驗沉淀。

芯片設計通常包含五個步驟:

①規格制定:確定芯片的功能、性能、功耗、尺寸及成本,明確設計方案,如各芯片單元的功能分配方案、各單元的連接方案等;

②設計芯片細節:用硬件描述語言(HDL)描繪整體輪廓、表達為程式碼,通常需要選型適用IP;

③設計藍圖:通過EDA工具確定此邏輯閘設計圖是否符合規格并修改,直到功能正確為止;

④電路布局布線:通過EDA工具制作電路圖;

⑤通過光罩制成芯片成品:由電路圖形成用于制造芯片的版圖,即光刻機用“光罩”,按設計電路制成芯片成品。

圖表16 芯片設計步驟

資料來源:西南證券研究所

(2)芯片制造:主要分為單晶硅片制造、晶圓制造兩階段。

①單晶硅片制造:將天然硅材料加工成用于制作芯片的高純度的半導體級硅,通過CZ法等技術轉換成單晶硅,通過拉單晶、切片、磨削等工藝得到用于晶圓加工的硅片。

圖表17 單晶硅片制造的硅塊原料、提純、拉單晶、磨削后成品示例

②晶圓制造:通過光罩光刻技術將“晶圓裸片”制成“完成電路刻制的晶圓”,主要包括擴散、光刻、刻蝕、離子注入(摻雜)、物理/化學氣相沉積(薄膜生長)、拋光等主要步驟。晶圓制造相關工序通常也稱為前道工序。
(3)芯片封測:對晶圓進行減薄、切割、貼片、引線鍵合、封裝、測試等過程。通常稱為后道工序。

2.3.2 芯片制造的設備、材料

(1)設備

設備是半導體制造企業最主要的資本開支項目,一般占產線投資總額的70-80%(其余20-30%為廠房建設金額)。其中,先進制造工藝產線的設備投資比重更高,14nm制程的設備投資占比可達85%,7nm制程則更高。

按工藝流程區分,半導體設備可分為制造設備、測試設備和封裝設備。2019年,上述三類設備的市場占比約為85%、9%、6%。

制造設備:光刻機、刻蝕機、沉積等三類設備的價值最高,分別占前道設備價值的20-25%、合計占70%以上。其余主要設備包括涂膠顯影設備、擴散爐等熱處理設備、離子注入設備、CMP拋光設備、清洗設備、過程控制設備等。

圖表18 ASML光刻機(左)、北方華創刻蝕機(中)、美國應用材料CVD設備(右)


 ②測試及封裝設備:測試設備主要面向各類芯片,包括SoC測試機、存儲器測試機等,其他測試設備包括分選機、探針臺等。封裝設備主要包括焊線機、封裝切割機、劃片機、貼片機、粘片機等。

(2)材料

半導體制造配套常用的材料超過百種。其中,硅片、光掩膜、光刻膠及其輔助材料、電子氣體的市場占比相對最高,為半導體制造的核心材料,分別占35%、13%、13%、13%左右。其他主要半導體材料包括工藝化學品、靶材、拋光材料等。

半導體封裝材料用量最大的是封裝基板,占半導體封裝材料市場規模的40%左右;其他材料如引線框架、鍵合金屬絲、包封樹脂、陶瓷封裝材料等,占比均在10-15%;此外制程用保護膜、粘接材料等占比也在5%左右。


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