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艾德證券期貨:半導體行業研究報告

本文作者:艾德證券期貨研究部

報告概要

2019年,中國集成電路進口額再次超過3000億美元,連續10年進口額超越原油,集成電路缺口依然很大,自給率依然不足50%。最近一年,伴隨著美國對中國半導體發展各種限制,中國積極發展半導體業更是顯得刻不容緩。在IC設計、IC製造、IC封測三業上,中國IC封測已具有全球競爭力,IC設計取得“非常顯著”進步,IC製造才是中國集成電路三業最薄弱環節。中國集成電路業與海外存較大差距,但具備很大空間。

(圖片來源:Wind資訊)

(圖片來源:Wind資訊)

 

5G疊加國產化替代,半導體行業砥礪前行

核心觀點及邏輯

2019年,中國集成電路進口額再次超過3000億美元,連續10年進口額超越原油,集成電路缺口依然很大,自給率依然不足50%。最近一年,伴隨著美國對中國半導體發展各種限制,中國積極發展半導體業更是顯得刻不容緩。在IC設計、IC製造、IC封測三業上,中國IC封測已具有全球競爭力,IC設計取得“非常顯著”進步,IC製造才是中國集成電路三業最薄弱環節。中國集成電路業與海外存較大差距,但具備很大空間。

  • 隨著5G快速部署,在消費電子基礎上,物聯網、AI、無人駕駛等快速發展,集成電路需求景氣度將迎來再一次提升。但中國集成電路目前依然高度依賴進口,2019年進口額超3000億美元,自給率不足50%。近年,美國對中國半導體發展各種限制,更顯得中國發展集成電路業不容遲緩。
  • 2019年全球半導體製造設備銷售金額預計達576億美元,但高度集中在美國、歐洲和日本企業手中。目前光刻機、刻蝕、鍍膜、量測、清洗、離子注入等核心設備的國產率普遍較低,但經過多年培育,國產半導體設備已經取得較大進展,整體水平達到28nm,並在14nm和7nm實現了部分設備的突破。
  • 在全球IC設計領域,美國仍佔據主導地位,但大陸IC設計銷售額從2016年的1644.3億元人民幣增長至2018年的2519.3億元人民幣,年複合增長27.36%,增長速度遠快於美國和全球市場。海思半導體和紫光展銳亦進入全球IC企業十強。
  • IC製造是集成電路業極為重要一環,但卻是中國很薄弱的一環。主要原因在於IC製造設備目前中國處於薄弱階段,光刻機、蝕刻機、CVD、PVD等核心設備均集中在少數國際巨頭手中。中芯國際(00981.HK)是中國IC製造真正的核心資產,承載著中國IC製造發展及追趕國際大廠之重任,是中國集成電路產業的關鍵資產。
  • IC設計、IC製造、IC封測三業中,中國在IC封測上具有全球競爭力。在IC封測市場,中國既有市場規模,又有富有競爭力的公司,且增長率遠高於全球平均增速,未來中國在IC封測市場地位將進一步鞏固。
  • 投資建議:中國集成電路業相比海外領先大廠仍有較大差距,但在國家政策支持下,相信終會迎來自己的輝煌時刻。在整個產業鏈中,港股市場上市的公司相對較少,可重點關注IC製造龍頭中芯國際(00981.HK),未來隨著7nm技術工藝的試產,與國際一流技術的差距不斷縮小,能夠更大程度滿足國內市場需求,增長潛力巨大。

 

第一篇半導體行業現狀

1.1 高技術、資本壁壘的半導體行業

半導體產業鏈包括上游、中游和下游,上游是製造半導體所需的原材料和設備,中游是製造半導體的過程,主要包括集成電路(IC)設計、集成電路製造和封裝測試三個環節,下游是將集成電路應用於PC、汽車、手機、物聯網等領域。

在半導體材料方面,靶材、封裝基板、CMP拋光材料、濕電子化學品等產品中國大陸已經實現大批量供貨;矽片、電子氣體、化合物半導體、掩模版等中國大陸已經小批量供貨;但光刻膠等技術水平和全球一流水平仍存在較大差距,目前基本未實現批量供貨。在半導體設備方面,光刻機、刻蝕機、薄膜設備、擴散/離子注入設備、濕法設備、過程檢測等國產化進程舉步維艱。不過,對於中國大陸而言目前最迫切需求解決的是中游半導體製造環節。

(圖片來源:Wind資訊)

在芯片製造領域裡,一直流傳這樣的一個定律:當價格不變時,集成電路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,人們稱之為摩爾定律。儘管當前來看嚴格的摩爾定律已經失效,不過IMEC、ASML等機構為半導體產業規劃的藍圖裡,製程升級的步伐並沒有停止。

台積電製程工藝演進為例,從發趨勢上看,其工藝技術不斷精進,2017年開始大規模出貨10nm FinFET製程,並開始風險試產7nm FinFET製程,並於2018年實現量產;2019年開始量產7nm+(EUV版的7nm);2020年將風險試產5nm製程;2022年3nm製程工藝也有望實現量產。但是,每一代製程的推出間隔時間逐步拉長,例如:其45nm到28nm之間相隔9個季度,28nm到16nm之間相隔11個季度,16nm到10nm之間相隔12個季度。

(圖片來源:台積電官網)

製程工藝升級帶來芯片性能的提升。根據AMD數據,過去十年製程升級帶來更高性能、更低功耗,製程升級為半導體性能提升貢獻40%。根據ASML預測,2018~2028年的未來十年半導體性能提升進一步加速,製程提升的貢獻為30%左右,剩下增長來自於諸如3D Stacking、多核架構、內存整合、軟件系統、電源管理等多方面的升級。

先進製程主要用於高性能計算領域,包括CPU(AP)、GPU、ASIC、FPGA等芯片,對應下游包括智能手機、個人電腦、服務器、礦機等。這些應用對於性能要求極高,而非將成本作為首要衡量因素。目前較為成熟的28nm節點主要應用包括中低端手機、平板、機頂盒、路由器等主芯片,14nm主要應用包括中高端AP/SoC、顯卡GPU、礦機ASIC、FPGA等,7nm及10nm主要應用包括智能手機AP/SoC、個人電腦及服務器CPU、礦機ASIC等。

(圖片來源:拓璞產業研究院、艾德證券期貨研究部)

製程工藝升級的背後是巨額資本投入。根據IBS,3nm芯片的設計費用約5~15億美元,工藝開發費用約40~50億美元,興建一條3nm產線的成本約150~200億美元。但3nm芯片僅比5nm芯片提升15%性能、降低25%功耗。此外,單位面積的硅晶圓,生產3nm芯片的成本也會相應增加。

(圖片來源:gartner、艾德證券期貨研究部)

 

1.2 中國大陸芯片高度依賴進口

2019年中國集成電路進口數量4451.34億個,進口總額3055.5億美元,分別較2015年增加41.76%和32.89%;出口數量2187億個,出口金額1015.8億美元,分別較2015年增加19.67%和47.17%。

(圖片來源:中國海關總署、艾德證券期貨研究部)

根據國家統計局最新公佈的數據顯示,2019年中國大陸集成電路產量約為2018.2億個,集成電路總銷量為4554.1億個,自給率只有44.32%,產銷之間的巨大缺口就需要進口來彌補。

(圖片來源:艾德證券期貨研究部)

根據以上數據,2019年中國產銷之間的缺口為2535.9億個,而集成電路進口均價為0.6864美元/個(進口總額3055.5億美元/進口數量4451.34億個),由兩者可以推斷出2019年中國集成電路產銷之間的缺口為1740.65億美元,按照2019年底的美元/人民幣匯率6.9632計算,對應的人民幣金額為12120.44億元。

基於以上分析,如果半導體產業能逐步實現國產替代,則未來的發展空間十分巨大。

更關鍵的是一些核心芯片市場佔有率非常低,根據前瞻產業研究院及一些研究機構公佈的數據,2019年上半年,在計算機系統領域,唯一有佔有率(2%)的僅為工業應用的MCU;在通用電子系統中,DSP與FPGA/EPLD佔有率均為零;在移動通信終端領域,應用處理器(AP)與通信處理器佔有率尤為突出,分別達到18%與22%,這一點與華為海思麒麟與巴龍基帶等密切相關,而這兩領域也是目前國產芯片表現最好的,除此之外,嵌入式MPU與DSP佔有率均為零;存儲芯片方面,DRAM與NAND佔有率為零,NOR與ISP處理器佔有率都達到5%;顯示及視頻系統中,顯示處理器佔有率為5%,驅動IC佔有率為零。當然,這裡的佔有率為零不代表國內沒有這個產品,只是相較於市場主流可以忽略不計。

(圖片來源:前瞻產業研究院,截止2019年5月)

 

1.3 受益於5G的持續發展,半導體下游需求旺盛

“中興事件”使得一些半導體下游的企業將自身的產業鏈條由國外轉向國內,加上政府的大力支撐,半導體國產化加速。更重要的是,由於5G的到來,來自數據中心、智能手機及通訊對芯片的需求大幅增加。

數據中心方面,隨著5G的到來,服務器將會在應對存儲方面呈幾何倍數增長的同時,還需要保持高帶寬、低時延、高穩定性的要求,這將導致服務器的內部升級。以中國X86服務器市場出貨量為例,IDC預測,中國X86服務器市場在2019年經過週期性調整後,2020年後市場將逐步恢復並迎來新一輪增長,2023中國X86服務器市場規模將達到292.85億美元,2020-2023年複合增長率將達到11.9%。

(圖片來源:IDC、艾德證券期貨研究部)

智能手機方面,全球智能手機出貨量呈現企穩回升之勢。 IDC公佈的數據顯示,2019年全球智能手機出貨量14.86億部,與2018年基本持平。分季度來看,2019年四個季度的同比增長率分別為-2.7%、-2.3%、1%及2%。手機廠商方面,2019年三星出貨量2.96億部,同比增長1.61%,穩居首位,華為和蘋果緊隨其後,出貨量分別為2.38億部和1.96億部。

預料5G手機在未來幾年出貨量將大幅增加。根據IDC預測,2019年5G手機出貨量為670萬部,份額僅為0.5%。到2023年,5G手機出貨量將達到整體手機出貨量的26%。各家5G芯片供應商紛紛加足馬力備貨,預計2020年全球5G手機出貨量為2-3億部。

與之相對應,對於5G芯片的需求也將呈現急速增加的勢頭。台積電7納米製程產能在2019年第3季開始全線爆滿,2020年上半年都可能出現產能供不應求的局面。聯發科高通、三星電子及海思等5G芯片供應商,都不斷要求上、下游協力大舉擴充產能,並有效拉高公司內外的庫存水平。

(圖片來源:Wind資訊、艾德證券期貨研究部)

通訊方面,隨著5G的推進,各大運營商加緊佈局。截至2019年8月,全球參與5G投資和建設的國家和運營商分別為98個和293個,全球5G基站累計出貨量45.3萬個。其中,中國5G基建出貨量位居世界第一,已構建8.6萬個基站。

(圖片來源:艾德證券期貨研究部)

PC方面,全球PC的出貨量於2016年觸底後,出現反彈,2019年四季度全球PC出貨量71.78百萬台,同比增長5.35%。從趨勢上看,PC已經出現止跌企穩的跡象。

(圖片來源:Wind資訊、艾德證券期貨研究部)

 

第二篇半導體行業產業鏈分析

2.1 半導體材料

  • 2.1.1 半導體材料分類

半導體材料可分為晶圓材料和封裝材料,半導體製造和封測技術較為複雜,從晶圓裸片到芯片成品,中間需要經歷氧化,濺鍍、光刻、刻蝕、離子注入、以及封裝等上百道特殊的工藝步驟。包括半導體材料和設備,屬於芯片製造、封測的支撐性行業,位於半導體產業鏈最上游。

半導體材料是半導體產業鏈中細分領域最多的產業鏈環節,晶圓材料主要有矽片、光掩膜、光刻膠、光刻膠輔助設備、濕製程、濺射靶、電子氣體、拋光液、靶材等。封裝材料主要有層壓基板、引線框架、銲線、模壓化合物、底部填充料、液體密封劑、黏晶材料、錫球、晶圓級封裝介質、熱接口材料。同時類似濕電子化學品中又包含了酸、碱等各類試劑,細分子行業多達上百個。

(圖片來源:艾德證券期貨研究部)

  • 2.1.2 半導體材料市場全球規模

根據中國半導體協會資料,2018年全球半導體材料市場規模519億美元,同比2017年增長10.7%。其中晶圓製造材料銷售額約322億美元,封裝材料銷售額約197億美元。台灣、中國大陸和韓國市場使用了全球一半以上的半導體材料。

(圖片來源:中國半導體協會、艾德證券期貨研究部)

2018年,台灣地區憑藉在晶圓製造及先進封裝的龐大產能,消耗了114億美元的半導體材料,連續9年成為全球最大半導體材料消費地區。 2018年,韓國排名第二,半導體材料用量達87.2億美元;中國大陸排名第三,半導體材料用量達84.4億美元。

從行業競爭格局看,全球半導體材料產品由日、美、韓、德等國家佔據絕對主導,國產半導體材料的銷售規模佔全球的比重不到5%,從整體技術水平和銷售規模來看,國產半導體材料產業和海外化工及材料龍頭仍然存在較大差距。

根據SEMI預測,2019年硅片、電子氣體、光掩膜、光刻膠配套化學品的銷售額分別為123.7億美元、43.7億美元、41.5億美元、22.8億美元,分別佔全球半導體製造材料行業37.29%、13.17%、12.51%、6.87%的市場份額。在晶圓製造材料中,矽片佔比最高,為半導體製造的核心材料。而在封裝層面,封裝基板為佔比最大的細分子行業。

2018年,中國晶圓製造材料總體市場規模約28.2億美元,較2017年的24.8億美元增長13.7%。封裝材料市場規模約為56.8億美元,較2017年的50.9億美元增長11.59%。晶圓製造材料與封裝測試材料總計市場規模約為85億美元,環比2017年增長12.29%。

(圖片來源:SEMI、艾德證券期貨研究部)

  • 2.1.3 中國半導體材料現狀

中國半導體材料自給率不足,規模小,高端佔比低,國內企業長期研發投入和積累不足,中國半導體材料在國際分工中處於中低端領域,高端產品市場主要被歐美日韓台等國家的大公司壟斷。某些材料往往只是某些大型材料廠商的一小塊業務,如陶氏化學公司、杜邦、三菱化學等,半導體材料業務只是其電子材料事業部的一個分支。

(1)矽片

矽片和矽基礎材料是芯片生產過程中最重要、成本佔比最高的材料。矽晶圓片的市場銷售額佔整個半導體材料的市場總銷售額的30%以上。矽片直徑主要有3英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸(300mm),目前已發展到18英寸(450mm)等規格。直徑越大,在一個矽片上經一次工藝循環可製作的集成電路芯片數就越多。

2016年-2018年,全球半導體矽片銷售額從72.09億美元增長至114億美元,年複合增長率達到25.75%。於此同時,2016至2018年,全球半導體矽片出貨面積從107.38億平方英寸增長至127.32億平方英寸,年複合增長率達8.89%。

(圖片來源:中國半導體協會、艾德證券期貨研究部)

從2009年開始,12英寸半導體矽片逐漸成為全球矽片市場的主流產品,由於人工智能,區塊鏈以及雲計算等新興終端市場的發展,12英寸矽片近幾年年複合增長率為7.51%。但矽片具備極高的技術壁壘和壟斷性,全球一半以上的半導體矽材料產能集中在日本,信越和SUMCO佔據了市場60%的份額,其他主要由德國、韓國、美國以及台灣的公司佔據。總計佔據了全球90%以上的市場份額。

中國從2012年以來,在半導體矽片市場規模呈現穩定上升趨勢,2016年-2018年矽片銷售額從5億美元上升到9.96億美元,年複合增長率高達41.17%,高於全球同期增速。中國目前自主生產的矽片以6英寸為主,應用於光伏和低端分立器件製造,基本可以滿足國內的需求,但8英寸的大矽片僅有少量廠商生產,供給遠不能滿足國內市場需求,2018年國內對8英寸矽片的月需求量預計為80萬片,仍有較大的缺口。12英寸集成電路級矽片基本依賴進口。不過,近年來,中國在8英寸和12英寸集成電路級矽片的研發上取得了重大突破,國家在政策和資本等各方面給予大力支持,中國本土企業在市場、政策、資金的推動下開始快速發展。

(2)電子氣體

電子氣體在電子產品製程工藝中廣泛應用於薄膜、蝕刻、摻雜等工藝,電子特種氣體劃分種類繁多,在半導體工業應用中有110餘種單元特種氣體,常用的超過30種。電子氣體的主要應用範圍包括電子行業、太陽能電池、移動通訊、汽車導航及車載音像系統、航空航天、軍事工業等諸多領域。

如同矽片一樣,電子特種氣體從生產到分離提純以及運輸供應都存在較高的技術壁壘,全球市場主要被幾家跨國巨頭壟斷。包括美國空氣化工、普萊克斯、德國林德集團、法國液化空氣、日本大陽日酸株式會社等公司佔據了全球電子特氣90%以上的市場份額。

(圖片來源:Wind資訊、艾德證券期貨研究部)

不過,經過多年的發展以及國家對於半導體產業支持力度加大,中國目前電子特氣逐漸實現國產化,稀有氣體產量和質量都有了較大的提升,包括矽烷、高純氨、氫氟酸、氯氣、砷烷等為代表的國產電子特氣,逐漸開始滲透國內市場,相應的廠商也不斷湧現。截止2015年年底,中國共有特種氣體生產企業150餘家。

(3)濕電子化學品

濕化學品,主要以上游硫酸、鹽酸、氫氧化鈉等十餘種原料,經過處理、提純得到的純高度產品。在半導體領域主要用於芯片的清洗和腐蝕,同時在矽晶圓的清洗中也起到重要作用。其純度和潔淨度對集成電路成品率、電性能及可靠性有十分重要的影響。

在這個領域,歐美和日韓台地區企業仍然佔據產品的主導地位。德國巴斯夫,美國亞甚蘭化學、Arch化學、日本關東化學、三菱化學、京都化工、住友化學、和光純藥工業,台灣鑫林科技,韓國東友精細化工等,上述公司佔全球市場份額的85%以上。

中國目前生產超淨高純試劑的企業中產品達到國際標準且具有一定生產量的企業有30多家,部門產品已經實現了進口替代。另外,中國濕電子化學品應用市場分為三大類:即半導體市場、光伏市場、平板顯示器市場,國產化率分別約為15%、25%、98%。

(4)封裝基板

封裝基板是芯片封裝體的重要組成材料,主要起承載保護芯片與連接上層芯片和下層電路板作用。包括固定/支撐芯片、增強芯片導熱散熱、實現電氣和物理連接、功率和信號分配等功能。封裝基板的應用領域幾乎涵蓋下游所有終端場景,包括移動智能終端、服務/存儲等領域,類型涵蓋消費類(手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴電子產品等)和工業類(通信設備、數據中心等)。

全球封裝基板的市場格局來看,目前主要產能和生產商都集中在台灣、韓國、日本等地區,前十大企業合計市佔率達到80%,集中度較高。其中,日本就走在了世界IC封裝基板的開發、應用的最前列,其次為韓國和台灣。中國大陸2009年起陸續有企業開始進入封裝基板產業,產業參與方以PCB廠為主,雖然佔全球較低水平,但提升趨勢明顯,2017年產值達到89億元,同比增長23%,高於全球個位數增速。

 

2.2 半導體設備

半導體設備指生產半導體相關產品的專用設備,半導體設備是半導體行業的支撐行業,主要應用於製造(前端設備)、IC封測(後端設備)兩大領域。其中,IC製造設備又包括晶圓製造設備和晶圓加工設備。其中晶圓製造設備主要由矽片廠進行採購,最終產品為矽片;晶圓加工設備主要由代工廠或IDM企業進行採購,最終產品為芯片;IC封測設備通常由專門的封測廠進行採購,包括揀選、測試、貼片、鍵合等多個環節。

(圖片來源:Wind資訊)

  • 2.2.1 半導體設備的核心

製作矽晶圓需要的半導體設備大致有十個,它們分別是單晶爐、氣相外延爐、氧化爐、磁控濺射台、化學機械拋光機、光刻機、離子注入機、引線鍵合機、晶圓劃片機、晶圓減薄機。其中,光刻、刻蝕及清洗、薄膜、過程控制及檢測是前端IC製造的四大核心領域,設備價值量在晶圓廠單條產線成本中占到90%以上。

實際上,從整個半導體工業流程來看,主要包括單晶矽片製造,IC設計,IC製造和IC封測。單晶矽片製造需要單晶爐等設備,IC製造需要光刻機、刻蝕機、薄膜設備、擴散離子注入設備、濕法設備、過程檢測等六大類設備。半導體設備中,晶圓代工廠設備採購額約佔80%,檢測設備約佔8%,封裝設備約佔7%,矽片廠設備等其他約佔5%。

  • 2.2.2 半導體設備全球市場規模

據2018年SEMI的數據預告顯示,2018年新的半導體製造設備的全球銷售額預計將增加9.7%達到621億美元,超過2017年創下的566億美元的歷史新高。預估2019年全球半導體製造設備銷售金額將達576億美元,較去年644億美元的歷史高點下滑10.5%,然2020年可望逐漸回溫,並於2021年再創歷史新高。

(圖片來源:SEMI、艾德證券期貨研究部)

半導體設備市場集中度比較高,生產企業集中在歐美、日本、韓國和台灣地區等。美國應用材料、荷蘭阿斯麥、美國泛林集團、日本東京電子、美國科天等為代表的國際知名企業起步較早,經過多年發展,憑藉資金、技術、客戶資源、品牌等方面的優勢,佔據了全球集成電路裝備市場的主要份額。

  • 2.2.3 中國半導體設備現狀

2020年之前中國集成電路設備基本靠進口,只有三家集成電路設備廠商承接國家層面的刻蝕機、離子注入機和光刻機項目。 2006年國家設立專項極大規模集成電路製造裝備及成套工藝科技項目,研發國產化設備,並於2008年開始實施。根據中國電子專用設備工業協會對國內42家主要半導體設備製造商的統計,2017年國產半導體設備銷售額為89億元,自給率約為14.3%。中國電子專用設備工業協會統計的數據包括LED、顯示、光伏等設備。

(圖片來源:艾德證券期貨研究部)

2012年國務院主導,科技部印發的“02”專項項目,標誌著集成電路成為國家重點優先戰略目標。在02專項的統籌規劃下,國內半導體廠商分工合作研發不同的設備,涵蓋了主要設備種類,目前已有20種芯片製造關鍵裝備、17種先進封裝設備,通過大生產線驗證進入海內外銷售。

目前光刻機、刻蝕、鍍膜、量測、清洗、離子注入等核心設備的國產率普遍較低。經過多年培育,國產半導體設備已經取得較大進展,整體水平達到28nm,並在14nm和7nm實現了部分設備的突破。

1)單晶爐

在矽片製造過程中,單晶爐、拋光機、測試設備是主要設備,分別約佔矽片廠設備投資的25%、25%、20%。日本在矽片製備設備產業中佔有相對優勢,其產品覆蓋了矽片製造的全套設備。其中單晶爐是一種在惰性氣體(氮氣、氦氣為主)環境中,用石墨加熱器將多晶矽等多晶材料熔化,用直拉法生長無錯位單晶矽的設備。在實際生產單晶矽過程中,它扮演著控制矽晶體的溫度和質量的關鍵作用。

中國矽片製備設備經過了30餘年的發展,已經可以提供直徑200ML以下的矽片生產設備,但市場需求量較少以及國外設備的衝擊,國產設備發展門類並不齊全。不過,受到政策的鼓勵和扶持,市場需求的驅動,多家企業正在積極佈局大矽片項目。目前8寸直拉單晶爐和區熔單晶爐均已實現產業化。12寸直拉單晶爐產業化推進中,未來有望為國內大矽片項目供貨。

2)光刻機

在集成電路製造工藝中,光刻是決定集成電路集成度的核心工序,常用的光刻機是掩膜對準光刻,一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。在矽片表面勻膠,然後將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過程,將器件或電路結構臨時“複製”到矽片上的過程。

光刻機發展之初主要分為無掩模光刻機和有掩模光刻機兩大類。到20世紀70年,出現投影光刻機,開始替代接觸接近式光刻機,成為先進集成電路大批量製造種的唯一光刻形式。隨著集成電路集成度的進一步提高,芯片面積更大,要求一次曝光的面積增大,促使更為先進的步進掃描光刻機問世。到目前第五代,採取的為EUV光刻。

(圖片來源:艾德證券期貨研究部)

高精度光刻機被ASML、尼康、佳能三家壟斷。其中荷蘭的ASML在光刻機領域遙遙領先,一家獨占全球70%以上的市場份額。國內廠商研製的90nm高端步進掃描投影光刻機已完成整機集成測試,並在客戶生產線上進行了工藝試驗。

3)封裝測試設備

封裝是半導體設備製造過程中的最後一個環節,包含減薄/切割、貼裝/互聯、封裝、測試等過程,封裝的作用主要包括對芯片的支撐與機械保護,電信號的互連與引出,電源的分配和熱管理。封裝設備主要切割減薄設備、引線機、鍵合機、分選測試機等,其中銲線機佔比最大達31%,其次為貼片機,佔比18%,劃片/切割機佔比15%。

根據SEMI數據,2017年全球封裝測試設備市場高速增長27.89%,銷售額達到83.1億美元。2017年中國大陸半導體封裝測試設備與封裝模具市場增長了18.6%,達到206.1億元,約為30.53億美元,其中封裝設備市場14億美元,測試設備與封裝模具市場為16.53億美元。

(圖片來源:中國半導體協會、艾德證券期貨研究部)

近年來,封測設備商經過不斷整合,形成了以日本愛德萬測試(AD-VANTEST)和美國泰瑞達(TERADYNE)兩大公司,其產品約佔全球半導體企業測試設備市場份額的80%以上。

目前封裝測試已成為中國集成電路產業鏈中最具有國際竟爭力的環節,幾年來中國集成電路封測產業呈現快速增長態勢,據數據顯示,2018年中國IC封測市場規模達2194億元人民幣,同比2017年增長了16.1%。

(圖片來源:中國半導體協會、艾德證券期貨研究部)

2014-2018年中國半導體封裝設備投資額呈現快速增長態勢,2018年中國封裝設備投資總額達47.4億2元人民幣,同比2017年增長了56.4%。

(圖片來源:中國半導體協會、艾德證券期貨研究部)

 

2.3 IC設計

  • 2.3.1 IC設計佔比逐步提高

集成電路產業主要由工設計、IC製造以及IC封測三大板塊組成。2018年中國集成電路產業銷售收入為6532億元(人民幣,單位下同),同比增長20.7%,其中:IC設計業銷售收入為2519.3億元,佔到全年總值的38.6%,IC製造銷售收入為1818.2億元,占到全年總值的27.8%;IC封測業銷售收入為2193.9億元,占到全年總值的33.6%。依據世界集成電路產業設計、製造、封測三業合理佔比4:3:3的局勢來看,大陸集成電路產業比例趨勢愈加合理,已經由“小設計-小製造-大封測”向“大設計-中製造-中封測”轉變。

(圖片來源:中國半導體行業協會)

  • 2.3.2 全球IC設計美國占據絕對主導地位

在半導體設計領域,美國公司仍佔據絕對主導地位,全球佔比超50%,IC設計公司按照是否擁有工廠,分為無晶圓工廠的fabless模式和有晶圓工廠的IDM模式。

據調研機構IC Insights數據,美國fabless模式芯片公司佔據全球68%的市場份額,而IDM模式芯片公司佔據全球46%的市場份額,兩者合計市場份額52%,遠超總部設在中國大陸、韓國、日本、台灣及歐洲地區的公司。韓國居世界第二位,fabless模式、IDM模式公司全球市場份額分別為不到1%、35%,合計市場份額27%。日本居世界第三位,fabless模式公司、IDM模式公司全球市場份額分別為不到1%、9%,合計市場份額7%。歐盟的fabless模式公司、IDM模式公司全球市場份額分別為2%、7%,合計市場份額6%。而中國大陸,fabless模式公司和IDM模式公司全球市場份額分別為13%、不到1%,合計市場份額3%,中國大陸IC公司主要為無晶圓廠公司。

(圖片來源:IC Insights)

(圖片來源:公司財報)

  • 2.3.3 中國IC設計取得顯著進步

近些年來,在國家政策扶持以及市場應用帶動下,中國集成電路產業保持快速增長,繼續保持增速全球領先的勢頭。受此帶動,在國內集成電路產業發展中,集成電路設計業始終是國內集成電路產業中最具發展活力的領域,增長也最為迅速。據中國半導體行業協會數據,中國集成電路設計銷售額由2014年的1047.4億元人民幣增至2018年的2519.3億元人民幣,年複合增長率24.5%。

(圖片來源:中國半導體行業協會)

海思半導體:拳頭產品包括麒麟系列CPU、5G基帶芯片。

紫光展銳:中國最大的泛芯片供應商和中國領先的5G通信芯片企業,2019年2月發布了5G基帶芯片春藤510。

豪威科技:主營CMOS圖像傳感器的研發和銷售,2019年已被韋爾股份收購。

北京智芯微:從事智能芯片研發、設計、生產,業務範圍覆蓋電力、信息通信、節能環保、金融、市政和現代服務業等領域。

華大半導體:主要產品包括:工控MCU、FPGA、功率及驅動芯片、智能卡及安全芯片、電源管理芯片、新型顯示芯片。

中興微電子:中興通訊控股子公司,覆蓋通訊網絡、個人應用、智能家庭和行業應用等“雲管段”全部領域,處於國內先進行列,目前自研芯片且研發成功商用的有100多種。

匯頂科技:主要從事智能人機交互技術的研究和開發,主要產品為電容觸控芯片、指紋識別芯片以及固定電話芯片。在指紋識別芯片領域,公司是國內龍頭。

士蘭微:國內為數不多的以IDM模式發展的綜合性半導體公司,主要產品包括集成電路、半導體分離器件、LED產品。

北京矽成:主要從事高性能集成電路存儲器及相關器件的設計、制造和銷售等。

格科微:中國領先圖像傳感器芯片設計公司,目標瞄準全球移動設備及消費電子市場。

兆易創新:閃存芯片及其衍生產品的研發、技術支持和銷售,公司主要產品為閃存芯片,具體為串行的代碼型閃存芯片。

  • 2.3.4 中國IC設計薄弱領域

在IC設計上,目前,有兩大領域或者幾個公司中國暫時很難繞過去,對中國IC設計“卡脖子”存在潛在可能性。

ARM公司

ARM公司是一家來自英國的半導體IP(知識產權)提供商一它不生產芯片,只設計芯片。但是,ARM的知識產權卻是高通驍龍、蘋果A系列處理器、三星Exyons處理器、華為麒麟處理器,以及全球4G,甚至是未來5G基站的技術底層。

根據2017年世界大會公佈的ARM市場份額數據,ARM架構在智能手機和調製解調器方面佔比均超過了99%,而在車載智能硬件和可穿戴設備上的市場份額也分別超過了95%和90%。我們使用的幾乎所有智能手機,平板電腦,智能穿戴設備,SSD,數字機頂盒,汽車製動設備、網絡路由器,裡面都可能有ARM處理器的存在。ARM在移動半導體芯片的話語權和地位極為重要且不可替代。

ARM公司以知識產權授權的形式與全球芯片設計公司合作,目前在全球擁有超過1000個授權合作,超過300家合作夥伴。授權形式分為三個層級:
1.使用層級授權
2.內核層級授權
3.架構/指令集層級授權

ARM如此廣泛的適用性,是因為它們都遵循著一個統一的標準,這個標準稱作指令集架構,即所謂的ISA(Instruction Set Architecture)。在某種程度上我們可以理解為,ISA是一個藍圖,而各家生產出的各種CPU則是通過該藍圖生產出的具體產品。

這意味著,如果ARM對某一個移動芯片設計公司停止授權“新架構”,則將對該企業形成較大影響。ARM基礎架構的更新頻率並不算高,目前的最新版本ARMv8發佈於2011年,距離目前已經8年之久。但新的ARM指令集架構(ARMv9)業界預計會在2020或2021年發布。ARM公司新架構(ARMv9)的發布,對IC設計企業即是機遇也是挑戰。

EDA

EDA工具是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的簡稱,是從計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助製造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE)的概念發展而來的一利用EDA工具,工程師將芯片的電路設計、性能分析、設計出IC版圖的整個過程交由計算機自動處理完成。

整個半導體產業,貫穿而下的大致產業鏈條是:原材料(晶圓廠)―用工具設計(EDA)一設計(Fabless)一加工製造(Foundry)。所以,專門為芯片設計工程師提供仿真和驗證工具的EDA細分行業是整個半導體行業生態鏈中最上游,最高端的節點。但是,全球EDA市場基本上被三家公司霸占:Cadence、Synopsys 和 Mentor Graphics,綜合市佔率高達95%以上,處於絕對壟斷地位。中國IC設計企業在EDA工具上,對外依賴較大!

華大九天一國產EDA巨擘

華大九天成立於2009年,為中國電子信息產業集團(CEC)旗下集成電路業務板塊二級企業,專注於提供專業的EDA軟件、IP產品及相關解決方案,是國內規模最大、技術最強的EDA企業,是大規模集成電路CAD國家工程研究中心依託單位,承擔著國產EDA軟件研發與推廣的重任,並在2012年推出矽知識產權(IP)和設計服務業務。

作為EDA領域國家隊的華大九天,可以提供全流程數模混合信號芯片設計系統、SoC後端設計分析及優化解決方案、平板(FPD)全流程設計系統、IP以及面向晶圓製造企業的相關服務,業務包括EDA電子設計自動化、Foundry工程服務、IP及設計服務。

 

2.4 IC製造

  • 2.4.1 IC製造是集成電路極為重要一環

IC製造是集成電路產業極為重要一環,肩負著將IC設計的芯片變成“實物”的重任。電腦CPU、手機SOC/基帶等高端芯片,國內已有替代,即便性能與國際巨頭最好產品仍有差距,但至少可以“將就著用”。但是,如果沒有IC製造能力,就算中國大陸的芯片設計公司能夠設計出跟國際媲美的芯片,那也只是“一堆數據”,而無法形成產品。從集成電路產業鏈各環節國產化的難度來看,製造>封裝>設計也是不爭的事實。所以IC製造迫切應該成為中國集成電路發展的核心關注點。

2018年全球純晶圓代工十強企業分別為:台積電(台灣)、格羅方德(美國)、聯電(台灣)、中芯國際(中國大陸)、力晶科技(台灣)、華虹半導體(中國大陸)、高塔半導體(以色列)、世界先進(台灣)、東部半導體(韓國)以及x-Fab(歐洲),而十大企業合計所佔市場份額高達97%。此外,三星電子也為fabless模式下的IC設計芯片企業代工,且三星電子代工規模,僅次於台積電,在技術實力上,三星電子也是台積電最大挑戰者。

(圖片來源:公司財報)

  • 2.4.2 國內十大IC製造企業

在國內集成電路製造業方面,根據賽迪顧問數據顯示,2017年國內集成電路製造企業排名,三星(中國)半導體以274.4億元(人民幣,下同)銷售額排名第一;中芯國際以201.5億元排名第二;第三則是SK海力士半導體(中國)有限公司,銷售額為130.6億元。隨後的第4到第10位分別是:英特爾半導體(中國)有限公司、華虹集團、華潤微電子、台積電(中國)有限公司、西安微電子技術研究所、武漢新芯、和艦科技(蘇州)有限公司。

(圖片來源:中國半導體行業協會)

  • 2.4.3 半導體設備是中國大陸IC製造短板

半導體設備處於產業鏈上游,貫穿半導體生產的各個環節。按照工藝流程可以分為四大板塊一晶圓製造設備、測試設備、封裝設備、前端相關設備。晶圓製造設備根據製程又可以主要分為8大類,而其中光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備這三大類設備佔據大部分的半導體設備市場。當前,設備市場高度集中,光刻機、CVD設備、刻蝕機、PVD設備的產出均集中於少數歐美日巨頭企業手上,呈現寡頭壟斷局面,CR10份額接近80%。而目前中國半導體設備的現況是低端製程實現國產替代,高端製程有待突破,設備自給率低、需求缺口較大。

全球主要設備廠:應用材料(AMAT)、拉姆研究(LAM)、科天半導體(KLA-Tencor)、東京電子(TEL)、ASML、Screen、SEMES、日立高新、日立國際電氣、Daifuku、尼康等。

(圖片來源:Wind資訊、艾德證券期貨研究部)

 

中芯國際:中國大陸半導體代工第一,世界第五

中芯國際(00981.HK)是中國大陸半導體代工第一企業,是中國大陸真正的核心資產。中國大陸IC設計企業眾多,且已經取得長足進步,如華為海思半導體2018銷售額已經達到500億人民幣,世界IC設計企業十強,中國大陸也有兩席(華為和紫光展銳),相關電腦CPU、手機SOC/基帶等高端芯片,國內也已有替代,即便性能與國際巨頭最好產品仍有差距,但至少可以“將就著用”。但IC製造代工領域,全球市場非常集中,以台積電為最,佔據將近60%市場份額,其次三星電子。中芯國際肩負著大陸IC代工製造追趕國際大廠之重任,是中國集成電路產業發展的基礎,尤其在海外市場有可能限制國內半導體製造的背景下,更顯中芯國際之重要性。

目前,公司14nm已經實現量產,2019年Q4已經開始貢獻收入,14nm也是公司當前最先進工藝,距離國際大廠有兩代差距10nm和7nm。與此同時,華為已經將部分14nm的自主芯片從台積電轉向中芯國際。

(圖片來源:公司年報、艾德證券期貨研究部)

 

2.5 IC封測

  • 2.5.1 封測需求旺盛

集成電路封測包括封裝和測試兩個環節,封裝是保護芯片免受物理、化學等環境因素造成的損傷,增強芯片的散熱性能、實現電氣連接,確保電路正常工作;測試主要是對芯片產品的功能、性能測試等,將功能、性能等不符合要求的產品篩選出來。

物聯網時代開啟,半導體行業景氣度或將提升。半導體產業的發展緊隨信息及互聯網產業的發展,並大致可分為四個階段,一是1960s-1980s計算機時代,隨著技術的發展,摩爾定律得到快速驗證,使得計算機尺寸縮小,並能夠廣泛普及;二是1990~2010s互聯網時代,個人計算機和筆記本電腦廣泛普及,世界互聯網巨擘也主要是在這一時期成立,智能手機也在07年開始進入視野;三是移動互聯網時代,2007年蘋果公司發布iPhone,開啟了移動互聯網的序幕,2008年App Store上線,進一步推動了移動互聯網發展,小米公司將智能手機價格拉到平價時代,進一步開啟智能手機的普及。智能手機的廣泛普及,推動了半導體進入移動時代,也推動了芯片產業需求的極度擴大。四是已經開啟的物聯網時代,萬物互聯,除了當前的消費電子,未來Al、無人駕駛、智能機器人、5G移動通信、物聯網(IOT)等應用的發展,將給半導體行業帶來新一輪前所未有的機遇,帶領全球半導體產業進入新一輪景氣週期。

中國晶圓廠迎來建設高峰,帶動封測需求擴大!據SEMI報告預測,到2020年,全球新建晶圓廠投資總額將達到500億美元,將有18個半導體項目投入建設,而中國大陸在這些項目中佔11個,總投資額高達240億美元。隨著大陸新建晶圓廠產能的釋放,必將帶來更多半導體封測需求,使中國半導體封測產業復甦。

  • 2.5.2 IC封測中國具全球競爭力

在IC設計、IC製造和IC封測三業上,中國在IC封測上有全球競爭力。2018年全球半導體封測市場達到560億美元,同比增長5.10%,而中國封測市場達2193.40億人民幣,同比增長達16.10%,中國封測市場規模大且增長速度快於全球增速。在IC封測市場,日月光公司以18.90%市場佔有率居第一位,美國安靠、中國長電科技以15.60%和13.10%分居第二和第三位,此外,中國通富微電、華天科技也位居全球前十大封測廠之列。在封測市場,中國既有市場規模也有富有競爭力的公司,未來將進一步鞏固中國在IC封測市場全球競爭力。

(圖片來源:Wind資訊)

  • 2.5.3 全球主要封測企業(非大陸企業)簡介

日月光集團
日月光集團是全球最大的半導體封裝與測試服務公司,成立於1984年,1989年在台灣證券交易所上市,2000年美國上市;其子公司福雷電子於1996年在美國NASDAQ上市,1998年台灣上市。目前,日月光集團在中國大陸的上海市、蘇州市、崑山市與威海市設有半導體封裝、測試、材料與電子廠。

安靠(Amkor)
安靠技術是全球半導體封裝和測試外包服務業中最大的獨立供應商,成立於1968年,在菲律賓有7家工廠,韓國有4家,台灣有2家,日本和中國上海各一家。安靠技術總部在美國賓夕法尼亞州的西徹斯特。 2013年7月,安靠完成收購東芝集團旗下的全資子公司東芝電子,從事馬來西亞半導體封裝操作。除了在太平洋沿岸有工廠外,安靠技術在加州、波士頓、麻薩諸塞州、歐文、奧斯汀、德克薩斯、東京、新加坡、倫敦、台灣和法國等均有生產及銷售代表處。

矽品
矽品成立於1984年5月,主要營業項目為從事各項集成電路封裝之製造、加工、買賣及測試等相關業務,是全球IC封裝測試行業的知名企業。矽品本身為全球前四大專業封裝測試代工服務業者,現屬日月光投資控股公司成員,成為全球第一大專業封裝測試代工服務業者。

力成
力成(PTI)是一家全球集成電路封裝測試服務廠商,成立於1997年5月,於台灣交易所上市。力成受惠於近年來高性能計算(HPC)應用和大數據存儲內存封裝需求的提升,通過強化與美光(Micro)合並,2018年排名中佔第五位。

國內廠商海外併購,技術、規模緊追海外大廠,目前中國集成電路封測企業已憑藉規模進入全球頭部企業範圍。而在技術發展方面,中國封測企業與國際巨頭已經比較接近,對先進封裝相關的各類技術均有所涉及。以本土企業規模而言,江蘇長電科技股份有限公司排名第一,2018年銷售收入238.656億元(人民幣,下同),2019 Q3銷售收入161.96億元,通富微電排名第二,2018年銷售收入72.2億元,2019年Q3收入60.6億元,華天科技排名第三,2018年銷售收入71.2億元,2019年Q3收入61.1億元。

 

中國大陸三大封測企業

  • 長電科技一大陸最大封測企業

公司成立於1972年,2003年在上交所主板成功上市。歷經四十餘年發展,長電科技已成為全球知名的集成電路封裝測試企業。公司面向全球提供封裝設計、產品開發及認證,以及從芯片中測、封裝到成品測試及出貨的全套專業生產服務。目前公司產品主要有QFN/DFN、BGA/LGA、FCBGA/LGA、FCOL、SiP、WLCSP、Bumping、MEMS、Fan-outeWLB、POP、PiP及傳統封裝SOP、SOT、DIP、TO等多個系列。

2015年,長電科技聯合國家集成電路產業投資基金股份有限公司、芯電半導體(上海)有限公司斥資47.8億元,完成對規模是其兩倍的新加坡上市公司星科金朋全部股份的收購。通過這次收購,長電獲得了國際領先的封裝技術和國際一流的客戶,星科金朋封測技術領先,其中Fan-out、fcPoP和SiP技術是全球最領先的技術,同時擁有客戶有高通、TI、NXP等國際半導體巨頭客戶,而長電科技在WLCSP、引線框倒裝FCOL等技術上佔據全球領先地位,合併之後二者技術與客戶可以達到接近95%的完美互補,與ASE、SPIL、Amkor在技術能力上的差距進一步縮小。

  • 通富微電

公司專業從事集成電路封裝測試。目前的封裝技術包括Bumping、 WLCSP、 FC、 BGA、SiP等先進封測技術,QFN、QFP、SO等傳統封裝技術以及汽車電子產品、MEMS等封裝技術;測試技術包括圓片測試、系統測試等。

2015年公司在國家集成電路產業基金的支持下,以3.7億美元的價格收購了AMD蘇州和檳城封測廠各85%的股權。AMD蘇州和檳城封測廠主要承接AMD自產CPU、APU、GPU以及GamingConsoleChip芯片產品的封測業務,產品主要應用於PC、服務器、遊戲主機、雲計算中心等領域。

  • 華天科技

公司主要從事半導體集成電路、MEMS傳感器、半導體元器件的封裝測試業務。目前公司集成電路封裝產品主要有DIP/SDIP、SOT、SOP、SSOP、TSSOP/ETSSOP、QFP/LQFP/TQFP、QFN/DFN、BGA/LGA、FC、MCM(MCP)、SiP、WLP、TSV、Bumping、MEMS等多個系列。

2018年9月,公司宣布以不超過18.17億林吉特(約合人民幣29.92億元)收購世界知名的馬來西亞半導體封測供應商UNISEM(友尼森)75.72%流通股。

以長電科技、通富微電、華天科技為代表的國內先進封裝測試企業在推進高端先進封裝技術,如金屬凸點(Bumping)、倒裝芯片技術(Flip-chip)、矽通孔(TSV)和堆疊芯片封裝技術(3D/2.5D)更加成熟的基礎上,繼續提升BGA、PGA、WLP、CSP、MCM、和SIP等高端先進封裝形式的產能規模、同時,國內三大封測廠相繼加強了公司產業佈局的力度。

與設計和製造環節相比,封測部分是中國集成電路產業與世界領先廠商規模和技術差距最小的環節,在世界排名前10的封測代工廠中,中國占據了3個,並且在各類先進封裝技術上中國封測企業均有涉及。未來隨著中國封測企業技術佈局進一步完善,有望追平國際先進技術。

 

風險提示

1.下游需求不及預期:受全球宏觀以及短期疫情影響,下游需求可能不及預期。
2.製程追趕進度不及預期:先進製程技術、資金壁壘高,追趕者的追趕進度存在不確定。
3.供應鏈風險:半導體工藝供應鏈受海外龍頭廠商主導,隨著國際貿易不確定性增加,供應鏈具有不確定性。

 

免責聲明

負責撰寫本報告的全部或部分內容之分析員,就本報告所提及的證券及其發行人做出以下聲明:(1)發表於本報告的觀點準確地反映有關於他們個人對所提及的證券及其發行人的觀點;(2)他們的薪酬在過往、現在和將來與發表在報告上的觀點並無直接或間接關係,此外,分析員確認,無論是他們本人還是他們的關聯人士(按香港證券及期貨事務監察委員會操作守則的相關定義)  (1)並沒有在發表研究報告30日前處置或買賣該等證券;(2)不會在發表報告3個工作日內處置或買賣本報告中提及的該等證券;(3)沒有在有關香港上市公司內任職高級人員;(4)並沒有持有有關證券的任何權益。

原文連結:「艾德證券期貨:半導體行業研究報告

 


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