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半导体芯片设计-晶圆代工-封测三部曲产业链

发布时间:2022-03-10作者来源:萨科微浏览:332

一、芯片设计

集成电路是电子信息产业的基石,而IC设计作为集成电路产业链上游,是最具发展活力和创新的重要环节,具有高投入、高风险、高产出的特点。
  近年来中国芯片设计产业在提升自给率、政策支持、规格升级与创新应用等要素的驱动下,保持了高速成长的趋势。   根据SEMI数据,我国芯片设计行业保持了较快的增长态势,2020年我国芯片设计行业销售额首次突破500亿美元,全行业设计企业数量为2218家,同比增长24.6%。
  资料来源:SEMI   根据芯片的制造流程,分为主产业链和支撑产业链。   主产业链分为设计、制造和封测。其中,芯片设计是关键,芯片制造最难突破,芯片封测国内已经发展到全球先进水平。   支撑产业链包括IP、EDA、材料和设备。      
 

1.芯片设计 - 芯片制造主产业链关键环节

芯片设计在集成电路产业链的上游顶端,行业公司具有较大的价值量,行业整体呈现出“小而美”的特征,是半导体产业链中赚钱的环节。整体毛利率都在30%以上,都属于轻资产模式,固定资产周转率及ROE水平处于相对较高位置。   其包含电路设计、版图设计和光罩制作。设计方面的主要环节是电路设计,需要考虑多方面因素以及涉及多元知识结构。版图设计和光罩制作可以借助计算机程序。   芯片设计主要由于芯片核心的底层架构(知识产权和技术壁垒)被掌握在少数厂商手中,专利费可能达到设计成本的50%以上。  
 

2.芯片设计流程

芯片设计流程主要可分为前端设计(Front end)与后端设计(Backend),其中前端设计(也称为逻辑设计)主要涉及芯片的功能设计,后端设计(也称为物理设计)主要涉及工艺有关的设计,使其成为具备制造意义的芯片。

芯片设计和生产流程图:     细分来看,设计从功能到布线基本分为五个步骤,在设计过程中涉及芯片硬件设计和软件协同。   芯片设计流程包含RTL编写、功能验证、逻辑综合、形式验证、DFT(Design for Testability)、布局布线、Sign Off、版图验证等多个流程。

芯片设计运作模式

上世纪80年代,电子行业出现了几种新的分工模式,包括IDM模式、Fabless模式和Fundary模式。

在台积电成立以前,半导体行业只有IDM一种模式。IDM模式的优势在于资源的内部整合优势,以及具有较高的利润率。   IDM(IntegratedDeviceManufacture)模式,即由一个厂商独立完成芯片设计、制造和封装三大环节,英特尔、三星和德州仪器是全球最具代表性的IDM企业。     Fabless即无晶圆制造的设计公司,是指专注于芯片设计业务,只负责芯片的电路设计与销售,将生产、测试、封装等环节外包的设计企业,代表企业有高通、博通、英伟达、AMD等。   Foundry即晶圆代工厂,指只负责制造、封测的一个或多个环节,不负责芯片设计,可以同时为多家设计公司提供服务的企业,代表企业有台积电、中芯国际、格罗方德等。   设计与制造的分工逐渐盛行,自身没有工厂的Fabless设计公司和专门提供半导体生产服务的代工企业分工合作的生产方式慢慢地发展了起来。   这种分工的好处是使得设计公司可以避免大规模的工厂投资,将更多精力聚焦在芯片设计方面,而代工企业凭借规模优势,在生产方面降低成本。   日本的半导体企业则没有采用这种设计和制造分工的方式,仍然坚持垂直一体化的生产方式。这样做的结果是当销售额减少的时候,由于前期的巨额投资,折旧费用依然庞大,导致企业利润承压,对后续的生产经营造成影响。

3.芯片设计竞争格局

IC设计行业中少数巨头企业占据了主导地位,其中美国IC设计行业处于领先地位。   根据分析机构ICinsights发布全球前15大半导体公司在2021年第一季度的表现状况显示,前15大半导体企业中,营收增长最高的四位AMD(93%)、联发科(90%)、高通(55%)、英伟达(51%)都是无晶圆IC设计厂商,第一季度营收年增长都超过了50%。   国内半导体产业链上游芯片设计环节公司主要涉及的领域包括存储芯片、射频芯片、图像传感器芯片、生物识别芯片、模拟器件芯片、WiFi芯片等,以及功率芯片、电源控制芯片、功能控制芯片等多个领域。   国内芯片设计总体来说体量尚小,芯片设计企业与全球主要对标企业的营收差距较大,大部分企业不到对标企业营收规模5%。相比之下,国外细分领域的芯片设计龙头公司收入基本都在上百亿美金的水平。   相关企业主要有华为的海思半导体、紫光展锐、北京豪威、中兴微电子、华大半导体、汇顶科技、格科微、卓胜微、瑞芯微和兆易创新等。   通过产业链上下游配合,国内芯片设计领域的细分龙头已经开始逐渐能够满足国内客户的部分替代性供应,这将给这些细分龙头带来较好的成长机遇和较大的市场空间。    


二、半导体晶圆代工

自2020年下半年以来,晶圆代工产能持续紧张,在驱动IC和功率器件等需求刺激下,主要晶圆代工产能利用率均超过95%,维持较高位置。
  一方面是因为行业一直处于供不应求的状态,而且已经持续了约一年时间。另一方面,华为禁令效应也在客观上起到了促进作用。   近期,全球几大晶圆代工厂将今年二季度代工价较上一季度再次上调10-20%,整体涨幅与第一季度相似。但从个别合同来看,部分代工价涨幅高达50%。   即便是所有晶圆代工厂的产线都处于满载状态,也加大了付运晶圆的数量,当下的产能紧缺情况依旧难以缓解,而其中8英寸晶圆代工厂产能最为紧张。     晶圆制造是半导体产业最关键、市场份额最大的核心环节。
  主要以晶圆为原材料,将光掩模上的电路图形信息大批量复制到晶圆上,并在晶圆上大批量形成特定集成电路结构的过程,其技术含量高、工艺复杂,在芯片生产过程中处于至关重要的地位。   20世纪60年代中后期,随着产业规模的扩大和工业技术的提升,专业化分工的优势逐步显现,于是集成电路制造设备业、材料业逐渐从IDM分离,作为辅助支撑行业发展起来。   20世纪80年代,随着制造工艺水平的提高,集成电路的产线建设、工艺研发及人才和资本需求不断增加,多数IDM不愿或无力承担巨额投入所带来的风险,于是只专注于集成电路芯片制造的企业兴起。   随着先进光刻技术、3D封装技术等不断涌现,各种先进工艺不断改进和完善,集成电路已由本世纪初的0.35微米的CMOS工艺发展至纳米级FinFET工艺,同时,作为集成电路的衬底,晶圆的直径已经由最初的6英寸、8英寸增长到现在的12英寸。   8英寸晶圆主要用于成熟制程及特种制程,主要用于需要特征技术或差异化技术的产品,包括功率芯片、图像传感器芯片、指纹识别芯片、MCU、无线通信芯片等,涵盖消费电子、通信、计算、工业、汽车等领域。   12英寸晶圆则主要用于制造CPU、逻辑IC和存储器等高性能芯片,在PC、平板电脑和移动电话等领域应用较多。    


1.晶圆代工市场高速增长

集成电路产业链的专业化分工趋势使得纯晶圆代工市场规模逐年扩大,全球晶圆制造市场快速增长。   据公开数据显示,2021一季度全球前十大晶圆代工厂营收约228.9亿美元,同比增速20.7%。   根据Trendforce的预测,在芯片市场景气周期的背景下,2021年全球芯片代工产业市场规模有望达到945亿美金,同比增长11%。    

2.晶圆代工市场格局:一超三强

晶圆代工是典型的寡头垄断型行业,技术、人才、资本缺一不可。且代工技术迭代快,马太效应明显。   从市场格局来看,2020年全球市场前五的晶圆代工市占率达90%,台积电以56%的市场占有率处于绝对领先的地位,三星和联电分列第二、第三,大陆厂商中芯国际暂列第五。   在目前台积电的逻辑技术中,最先进制程已从7nm交棒给5nm,很快将由3nm继承。相较于5nm制程,3nm制程速度增快15%,功耗降低30%,逻辑密度增加70%。3nm将持续采用FinFET结构,计划于2022年下半年在晶圆18厂量产,“将成为世界上最先进的技术”。   2020年台积电资本开支为186亿美金,2021年可达到300亿美金,预计3年内总投资将达1000亿美元。   SEMI的数据显示,2017-2020年间全球投产的半导体晶圆厂为62座,其中有26座设于中国大陆,占全球总数的42%。并预计从2020年到2024年至少新增38个12英寸晶圆厂。

 全球晶圆厂持续扩产:   资料来源:平安证券   国内12英寸晶圆制造厂产品主要包括两大方向,一方面为主攻先进制程代工和特色工艺的晶圆厂,包括中芯国际、华虹、粤芯等;另一方向主要是以存储晶圆制造为主攻方向的晶圆厂,包括长江存储、合肥长鑫、福建晋华、武汉新芯等。   中芯国际拥有3座8英寸晶圆厂和5座12英寸晶圆厂(含合资控股),遍布北京、天津、上海等地。   华虹集团拥有3座8英寸晶圆厂和3座12英寸晶圆厂,8英寸晶圆厂月产能约18万片,12英寸晶圆月产能约4万片,位于上海和无锡。   同时华润微电子、上海先进(积塔半导体)、士兰微等公司拥有8英寸晶圆厂,武汉新芯和粤芯半导体等公司只有12英寸晶圆厂。   领先厂商通过提前量产获取订单,分摊工厂折旧,进而继续研发下一代工艺,使得后进厂商在先进制程工艺上的投资低于预期回报而放弃竞争,以此扩大市场份额、形成壁垒。    

3.全球晶圆厂巨头积极布局先进制程

目前领先工艺(5nm+7nm)占据25%左右的市场份额,主要用于CPU、GPU等超大规模逻辑集成电路的制造。3nm技术有望在2022年前后进入市场。   全球前十大晶圆代工厂商均在积极布局先进制程。   当前5nm及更先进制程仅有台积电和三星两个头部玩家,格罗方德和联华电子因市场竞争激烈、资本开支过大已退出14/12nm以下制程开发,专注于现有成熟制程,英特尔位于10nm+制程(与台积电7nm性能接近),更低制程由于投入过大进度也趋缓。   中芯国际因此在先进制程方面竞争对手减少,资本开支方面从2017年开始也超越了联电,中芯国际正加速追赶头部玩家。   为建设5nm产线,2020年台积电计划全年资本性支出高达184亿美元。先进制程不仅需要巨额的建设成本,而且也提高了设计企业的门槛,根据IBS的预测,3nm设计成本将会高达5-15亿美元。   各公司未来技术节点的预测:    

国外瓦纳森协议以及对于华为的制裁体现了在国内形成自主可控的半导体产业链的重要性,半导体制造是产业链中最关键的一环,未来芯片代工领域马太效应会愈加明显。随着台积电等晶圆厂龙头开启新一轮扩产周期、技术升级、晶圆产能向大陆转移以及国内政策的大力支持,产业链有望迎来新一轮景气周期。


三、半导体封测

封测行业位于集成电路产业链末端,是劳动密集型行业。作为我国半导体领域优势最为突出的子行业,在当前国产半导体产业链中,国产化程度最高、行业发展最为成熟。
  相对半导体设计、制造领域来说,技术壁垒、对人才的要求相对较低,是国内半导体产业链与国外差距最小环节。

目前国内封测市场在全球占比达 70%,行业的规模优势明显,更多是通过资源整合和规模扩张来推动市占率的提升。   随着上游的芯片设计公司选择将订单回流到国内,大批新建晶圆厂产能的释放以及国内主流代工厂产能利用率的提升,晶圆厂的产能扩张也势必蔓延至中下游封装厂商,将带来更多的半导体封测新增需求。    

封装测试产业链

封装测试位于半导体产业链的中下游,包括封装和测试两个环节。   根据Gartner测算,封装和测试在整个封测流程中的市场份额占比约为80%~85%和15%~20%。   封装是对制造完成的晶圆进行划片、贴片、键合、电镀等一系列工艺,以保护晶圆上的芯片免受物理、化学等环境因素造成的损伤,增强芯片的散热性能,以及将芯片的I/O端口引出的半导体产业环节。

封装本质上是集成电路产业链中赚钱最难的行业,需要通过不断加大投资来赚取每一块钱上的边际增量,技术门槛低,规模效应使得龙头增速快于小企业。   当前封装仍然是一个处于不断增长中的增量市场,先进封装是增量主要来源。

在后摩尔定律时代,芯片制程的特征尺寸逐渐接近物理极限,以SiP、3D堆叠等为代表的先进封装技术成为延续摩尔定律的途径之一,由此带动封装在电子系统内的功能定位逐步升级。    测试是保障成品质量稳定、控制系统损失的关键工艺。

测试主要是对芯片、电路等半导体产品的功能和性能进行验证的步骤,其目的在于将有结构缺陷以及功能、性能不符合要求的半导体产品筛选出来,以确保交付产品的正常应用。   集成电路封装技术的演进主要为了符合终端系统产品的需求,为配合系统产品多任务、小体积的发展趋势,集成电路封装技术的演进方向即为高密度、高脚位、薄型化、小型化。   封装技术演进图:      技术上的局限本质上决定了封测企业的R&D不高同时,封测企业技术可以通过IDM授权获得因此相对来说封测R&D占比不高也会决定进入壁垒不高但国内企业的R&D占比显著高于海外,tier1还是占据规模优势。    

封测行业竞争格局解读

封测企业率先跻身全球集成电路产业链分工,充分享受全球半导体行业增长带来的行业红利。   全球集成电路企业主要分为两类,一种是涵盖集成电路设计、制造以及封装测试为一体的垂直整合型公司(IDM公司),例如三星、英特尔、海力士等独立专业化的公司。   另外一种则是将IDM公司进行拆分形成独立的公司,可以分为IC设计公司、晶圆代工厂及封装测试厂,全球知名封装测试厂包括安靠、日月光、长电科技、通富微电等。

全球封测行业历年竞争格局变化:

中国封装业起步早、发展快,但目前仍以传统封装为主。虽然近年中国本土先进封测四强(长电 、通富 、华天 、晶方 )通过自主研发和兼并收购,已基本形成先进封装的产业化能力。   根据TrendForce数据,2020年二季度本土厂商长电/华天/通富分别以13.4%/6.4%/5.7%的市占率位居全球封测市场的第三/第六/第七。   2020年第二季度全球前十大半导体封测厂商:

图表来源:Gartner, 华泰证券

长电科技具有广泛的技术积累和产品解决方案,包括有自主知识产权的Fan-outeWLB、WLCSP、Bump、PoP、fcBGA、SiP、PA封装等领先技术。业务覆盖国际、国内众多高端客户,全球前二十大半导体公司中有85%为公司客户。   华天科技正在逐渐形成天水,西安,昆山三线发展的格局。三地定位不同,也没有重复的客户,针对不同客户需求,发展各自的拳头产品,形成协同效应。西安的QFN和BGA产线处于鼎盛时期,而昆山是公司发展的重点,未来的增速也将是最快的。

华天科技的核心客户包括FPC、汇顶、展讯、MPS、PI、SEMTECH、ST等。


  通富微电已在崇川、南通、合肥、厦门、苏州、马来西亚槟城六地拥有包括Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先进封装技术。

根据公司2020年中报,通富已与国内包括中兴微电子、联发科、展锐、汇顶科技、卓胜微、兆易创新、博通集成、韦尔科技等半导体知名企业顺利推进新品研发,同时大力拓展日韩及欧洲市场并深耕三星、罗姆、三垦、索喜科技、松下、AMS、Nordic、Dialog等企业。   近几年的并购经历让中国封测企业快速发展,得到了技术和市场,但由于中美贸易战的影响以及可选并购标的减少,中国封测行业未来的发展方向将是:自主研发+国内整合。      封测行业毛利率均值20%,对比代工业,方差波动小,技术的演进无法显著提升毛利水平。封测业更多通过规模和资源的推动市占率提升,技术不是绝对壁垒,后来者有机会分享蛋糕。
  随着先进节点走向10nm、7nm、5nm,研发生产成本持续走高,良率下降,摩尔定律趋缓,半导体行业逐渐步入后摩尔时代。目前封测行业正在经历从传统封装(SOT、QFN、BGA等)向先进封装(FC、FIWLP、FOWLP、TSV等)的转型。   先进封装技术不仅可以增加功能、提升产品价值,还有效降低成本,成为延续摩尔定律的关键。

作为集成电路产业链不可缺少的一部分,半导体封测得益于对更高集成度的需求,随着5G应用、AI、IoT等新兴领域的驱动,市场规模快速扩大,我国封测行业仍然有望保持高增长。




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