半導(dǎo)體芯片設(shè)計-晶圓代工-封測三部曲產(chǎn)業(yè)鏈
半導(dǎo)體芯片設(shè)計-晶圓代工-封測三部曲產(chǎn)業(yè)鏈
來源：ittbank
一、芯片設(shè)計
集成電路是電子信息產(chǎn)業(yè)的基石，而IC設(shè)計作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上游，是最具發(fā)展活力和創(chuàng)新的重要環(huán)節(jié)，具有高投入、高風(fēng)險、高產(chǎn)出的特點。
近年來中國芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)在提升自給率、政策支持、規(guī)格升級與創(chuàng)新應(yīng)用等要素的驅(qū)動下，保持了高速成長的趨勢。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，我國芯片設(shè)計行業(yè)保持了較快的增長態(tài)勢，2020年我國芯片設(shè)計行業(yè)銷售額首次突破500億美元，全行業(yè)設(shè)計企業(yè)數(shù)量為2218家，同比增長24.6%。
資料來源：SEMI根據(jù)芯片的制造流程，分為主產(chǎn)業(yè)鏈和支撐產(chǎn)業(yè)鏈。主產(chǎn)業(yè)鏈分為設(shè)計、制造和封測。其中，芯片設(shè)計是關(guān)鍵，芯片制造最難突破，芯片封測國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展到全球先進(jìn)水平。支撐產(chǎn)業(yè)鏈包括IP、EDA、材料和設(shè)備。
1.芯片設(shè)計 - 芯片制造主產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)
芯片設(shè)計在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的上游頂端，行業(yè)公司具有較大的價值量，行業(yè)整體呈現(xiàn)出“小而美”的特征，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中賺錢的環(huán)節(jié)。整體毛利率都在30%以上，都屬于輕資產(chǎn)模式，固定資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率及ROE水平處于相對較高位置。其包含電路設(shè)計、版圖設(shè)計和光罩制作。設(shè)計方面的主要環(huán)節(jié)是電路設(shè)計，需要考慮多方面因素以及涉及多元知識結(jié)構(gòu)。版圖設(shè)計和光罩制作可以借助計算機(jī)程序。芯片設(shè)計主要由于芯片核心的底層架構(gòu)（知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)壁壘）被掌握在少數(shù)廠商手中，專利費可能達(dá)到設(shè)計成本的50%以上。
2.芯片設(shè)計流程
芯片設(shè)計流程主要可分為前端設(shè)計（Front end）與后端設(shè)計（Backend），其中前端設(shè)計（也稱為邏輯設(shè)計）主要涉及芯片的功能設(shè)計，后端設(shè)計（也稱為物理設(shè)計）主要涉及工藝有關(guān)的設(shè)計，使其成為具備制造意義的芯片。
芯片設(shè)計和生產(chǎn)流程圖:
細(xì)分來看，設(shè)計從功能到布線基本分為五個步驟，在設(shè)計過程中涉及芯片硬件設(shè)計和軟件協(xié)同。芯片設(shè)計流程包含RTL編寫、功能驗證、邏輯綜合、形式驗證、DFT（Design for Testability）、布局布線、Sign Off、版圖驗證等多個流程。
芯片設(shè)計運作模式
上世紀(jì)80年代，電子行業(yè)出現(xiàn)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(dǎo)體行業(yè)只有IDM一種模式。IDM模式的優(yōu)勢在于資源的內(nèi)部整合優(yōu)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(shè)計、制造和封裝三大環(huán)節(jié)，英特爾、三星和德州儀器是全球最具代表性的IDM企業(yè)。Fabless即無晶圓制造的設(shè)計公司，是指專注于芯片設(shè)計業(yè)務(wù)，只負(fù)責(zé)芯片的電路設(shè)計與銷售，將生產(chǎn)、測試、封裝等環(huán)節(jié)外包的設(shè)計企業(yè)，代表企業(yè)有高通、博通、英偉達(dá)、AMD等。
Foundry即晶圓代工廠，指只負(fù)責(zé)制造、封測的一個或多個環(huán)節(jié)，不負(fù)責(zé)芯片設(shè)計，可以同時為多家設(shè)計公司提供服務(wù)的企業(yè)，代表企業(yè)有臺積電、中芯國際、格羅方德等。設(shè)計與制造的分工逐漸盛行，自身沒有工廠的Fabless設(shè)計公司和專門提供半導(dǎo)體生產(chǎn)服務(wù)的代工企業(yè)分工合作的生產(chǎn)方式慢慢地發(fā)展了起來。這種分工的好處是使得設(shè)計公司可以避免大規(guī)模的工廠投資，將更多精力聚焦在芯片設(shè)計方面，而代工企業(yè)憑借規(guī)模優(yōu)勢，在生產(chǎn)方面降低成本。日本的半導(dǎo)體企業(yè)則沒有采用這種設(shè)計和制造分工的方式，仍然堅持垂直一體化的生產(chǎn)方式。這樣做的結(jié)果是當(dāng)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(dǎo)致企業(yè)利潤承壓，對后續(xù)的生產(chǎn)經(jīng)營造成影響。
3.芯片設(shè)計競爭格局
IC設(shè)計行業(yè)中少數(shù)巨頭企業(yè)占據(jù)了主導(dǎo)地位，其中美國IC設(shè)計行業(yè)處于領(lǐng)先地位。根據(jù)分析機(jī)構(gòu)ICinsights發(fā)布全球前15大半導(dǎo)體公司在2021年第一季度的表現(xiàn)狀況顯示，前15大半導(dǎo)體企業(yè)中，營收增長最高的四位AMD（93%）、聯(lián)發(fā)科（90%）、高通（55%）、英偉達(dá)（51%）都是無晶圓IC設(shè)計廠商，第一季度營收年增長都超過了50%。國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游芯片設(shè)計環(huán)節(jié)公司主要涉及的領(lǐng)域包括存儲芯片、射頻芯片、圖像傳感器芯片、生物識別芯片、模擬器件芯片、WiFi芯片等，以及功率芯片、電源控制芯片、功能控制芯片等多個領(lǐng)域。國內(nèi)芯片設(shè)計總體來說體量尚小，芯片設(shè)計企業(yè)與全球主要對標(biāo)企業(yè)的營收差距較大，大部分企業(yè)不到對標(biāo)企業(yè)營收規(guī)模5%。相比之下，國外細(xì)分領(lǐng)域的芯片設(shè)計龍頭公司收入基本都在上百億美金的水平。相關(guān)企業(yè)主要有華為的海思半導(dǎo)體、紫光展銳、北京豪威、中興微電子、華大半導(dǎo)體、匯頂科技、格科微、卓勝微、瑞芯微和兆易創(chuàng)新等。通過產(chǎn)業(yè)鏈上下游配合，國內(nèi)芯片設(shè)計領(lǐng)域的細(xì)分龍頭已經(jīng)開始逐漸能夠滿足國內(nèi)客戶的部分替代性供應(yīng)，這將給這些細(xì)分龍頭帶來較好的成長機(jī)遇和較大的市場空間。
二、半導(dǎo)體晶圓代工
自2020年下半年以來，晶圓代工產(chǎn)能持續(xù)緊張，在驅(qū)動IC和功率器件等需求刺激下，主要晶圓代工產(chǎn)能利用率均超過95%，維持較高位置。
一方面是因為行業(yè)一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，而且已經(jīng)持續(xù)了約一年時間。另一方面，華為禁令效應(yīng)也在客觀上起到了促進(jìn)作用。近期，全球幾大晶圓代工廠將今年二季度代工價較上一季度再次上調(diào)10-20%，整體漲幅與第一季度相似。但從個別合同來看，部分代工價漲幅高達(dá)50%。即便是所有晶圓代工廠的產(chǎn)線都處于滿載狀態(tài)，也加大了付運晶圓的數(shù)量，當(dāng)下的產(chǎn)能緊缺情況依舊難以緩解，而其中8英寸晶圓代工廠產(chǎn)能最為緊張。晶圓制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最關(guān)鍵、市場份額最大的核心環(huán)節(jié)。
主要以晶圓為原材料，將光掩模上的電路圖形信息大批量復(fù)制到晶圓上，并在晶圓上大批量形成特定集成電路結(jié)構(gòu)的過程，其技術(shù)含量高、工藝復(fù)雜，在芯片生產(chǎn)過程中處于至關(guān)重要的地位。20世紀(jì)60年代中后期，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)技術(shù)的提升，專業(yè)化分工的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，于是集成電路制造設(shè)備業(yè)、材料業(yè)逐漸從IDM分離，作為輔助支撐行業(yè)發(fā)展起來。20世紀(jì)80年代，隨著制造工藝水平的提高，集成電路的產(chǎn)線建設(shè)、工藝研發(fā)及人才和資本需求不斷增加，多數(shù)IDM不愿或無力承擔(dān)巨額投入所帶來的風(fēng)險，于是只專注于集成電路芯片制造的企業(yè)興起。隨著先進(jìn)光刻技術(shù)、3D封裝技術(shù)等不斷涌現(xiàn)，各種先進(jìn)工藝不斷改進(jìn)和完善，集成電路已由本世紀(jì)初的0.35微米的CMOS工藝發(fā)展至納米級FinFET工藝，同時，作為集成電路的襯底，晶圓的直徑已經(jīng)由最初的6英寸、8英寸增長到現(xiàn)在的12英寸。8英寸晶圓主要用于成熟制程及特種制程，主要用于需要特征技術(shù)或差異化技術(shù)的產(chǎn)品，包括功率芯片、圖像傳感器芯片、指紋識別芯片、MCU、無線通信芯片等，涵蓋消費電子、通信、計算、工業(yè)、汽車等領(lǐng)域。12英寸晶圓則主要用于制造CPU、邏輯IC和存儲器等高性能芯片，在PC、平板電腦和移動電話等領(lǐng)域應(yīng)用較多。
1.晶圓代工市場高速增長
集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的專業(yè)化分工趨勢使得純晶圓代工市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，全球晶圓制造市場快速增長。據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，2021一季度全球前十大晶圓代工廠營收約228.9億美元，同比增速20.7%。根據(jù)Trendforce的預(yù)測，在芯片市場景氣周期的背景下，2021年全球芯片代工產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模有望達(dá)到945億美金，同比增長11%。
2.晶圓代工市場格局：一超三強(qiáng)
晶圓代工是典型的寡頭壟斷型行業(yè)，技術(shù)、人才、資本缺一不可。且代工技術(shù)迭代快，馬太效應(yīng)明顯。從市場格局來看，2020年全球市場前五的晶圓代工市占率達(dá)90%，臺積電以56%的市場占有率處于絕對領(lǐng)先的地位，三星和聯(lián)電分列第二、第三，大陸廠商中芯國際暫列第五。在目前臺積電的邏輯技術(shù)中，最先進(jìn)制程已從7nm交棒給5nm，很快將由3nm繼承。相較于5nm制程，3nm制程速度增快15%，功耗降低30%，邏輯密度增加70%。3nm將持續(xù)采用FinFET結(jié)構(gòu)，計劃于2022年下半年在晶圓18廠量產(chǎn)，“將成為世界上最先進(jìn)的技術(shù)”。2020年臺積電資本開支為186億美金，2021年可達(dá)到300億美金，預(yù)計3年內(nèi)總投資將達(dá)1000億美元。SEMI的數(shù)據(jù)顯示，2017-2020年間全球投產(chǎn)的半導(dǎo)體晶圓廠為62座，其中有26座設(shè)于中國大陸，占全球總數(shù)的42%。并預(yù)計從2020年到2024年至少新增38個12英寸晶圓廠。
全球晶圓廠持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)：
資料來源：平安證券國內(nèi)12英寸晶圓制造廠產(chǎn)品主要包括兩大方向，一方面為主攻先進(jìn)制程代工和特色工藝的晶圓廠，包括中芯國際、華虹、粵芯等；另一方向主要是以存儲晶圓制造為主攻方向的晶圓廠，包括長江存儲、合肥長鑫、福建晉華、武漢新芯等。中芯國際擁有3座8英寸晶圓廠和5座12英寸晶圓廠（含合資控股），遍布北京、天津、上海等地。華虹集團(tuán)擁有3座8英寸晶圓廠和3座12英寸晶圓廠，8英寸晶圓廠月產(chǎn)能約18萬片，12英寸晶圓月產(chǎn)能約4萬片，位于上海和無錫。同時華潤微電子、上海先進(jìn)（積塔半導(dǎo)體）、士蘭微等公司擁有8英寸晶圓廠，武漢新芯和粵芯半導(dǎo)體等公司只有12英寸晶圓廠。領(lǐng)先廠商通過提前量產(chǎn)獲取訂單，分?jǐn)偣S折舊，進(jìn)而繼續(xù)研發(fā)下一代工藝，使得后進(jìn)廠商在先進(jìn)制程工藝上的投資低于預(yù)期回報而放棄競爭，以此擴(kuò)大市場份額、形成壁壘。
3.全球晶圓廠巨頭積極布局先進(jìn)制程
目前領(lǐng)先工藝（5nm+7nm）占據(jù)25%左右的市場份額，主要用于CPU、GPU等超大規(guī)模邏輯集成電路的制造。3nm技術(shù)有望在2022年前后進(jìn)入市場。全球前十大晶圓代工廠商均在積極布局先進(jìn)制程。當(dāng)前5nm及更先進(jìn)制程僅有臺積電和三星兩個頭部玩家，格羅方德和聯(lián)華電子因市場競爭激烈、資本開支過大已退出14/12nm以下制程開發(fā)，專注于現(xiàn)有成熟制程，英特爾位于10nm+制程（與臺積電7nm性能接近），更低制程由于投入過大進(jìn)度也趨緩。中芯國際因此在先進(jìn)制程方面競爭對手減少，資本開支方面從2017年開始也超越了聯(lián)電，中芯國際正加速追趕頭部玩家。為建設(shè)5nm產(chǎn)線，2020年臺積電計劃全年資本性支出高達(dá)184億美元。先進(jìn)制程不僅需要巨額的建設(shè)成本，而且也提高了設(shè)計企業(yè)的門檻，根據(jù)IBS的預(yù)測，3nm設(shè)計成本將會高達(dá)5-15億美元。
各公司未來技術(shù)節(jié)點的預(yù)測:
國外瓦納森協(xié)議以及對于華為的制裁體現(xiàn)了在國內(nèi)形成自主可控的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要性，半導(dǎo)體制造是產(chǎn)業(yè)鏈中最關(guān)鍵的一環(huán)，未來芯片代工領(lǐng)域馬太效應(yīng)會愈加明顯。隨著臺積電等晶圓廠龍頭開啟新一輪擴(kuò)產(chǎn)周期、技術(shù)升級、晶圓產(chǎn)能向大陸轉(zhuǎn)移以及國內(nèi)政策的大力支持，產(chǎn)業(yè)鏈有望迎來新一輪景氣周期。
三、半導(dǎo)體封測
封測行業(yè)位于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈末端，是勞動密集型行業(yè)。作為我國半導(dǎo)體領(lǐng)域優(yōu)勢最為突出的子行業(yè)，在當(dāng)前國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，國產(chǎn)化程度最高、行業(yè)發(fā)展最為成熟。
相對半導(dǎo)體設(shè)計、制造領(lǐng)域來說，技術(shù)壁壘、對人才的要求相對較低，是國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈與國外差距最小環(huán)節(jié)。
目前國內(nèi)封測市場在全球占比達(dá) 70%，行業(yè)的規(guī)模優(yōu)勢明顯，更多是通過資源整合和規(guī)模擴(kuò)張來推動市占率的提升。隨著上游的芯片設(shè)計公司選擇將訂單回流到國內(nèi)，大批新建晶圓廠產(chǎn)能的釋放以及國內(nèi)主流代工廠產(chǎn)能利用率的提升，晶圓廠的產(chǎn)能擴(kuò)張也勢必蔓延至中下游封裝廠商，將帶來更多的半導(dǎo)體封測新增需求。
▌封裝測試產(chǎn)業(yè)鏈
封裝測試位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的中下游，包括封裝和測試兩個環(huán)節(jié)。根據(jù)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(jìn)行劃片、貼片、鍵合、電鍍等一系列工藝，以保護(hù)晶圓上的芯片免受物理、化學(xué)等環(huán)境因素造成的損傷，增強(qiáng)芯片的散熱性能，以及將芯片的I/O端口引出的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)。
封裝本質(zhì)上是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中賺錢最難的行業(yè)，需要通過不斷加大投資來賺取每一塊錢上的邊際增量，技術(shù)門檻低，規(guī)模效應(yīng)使得龍頭增速快于小企業(yè)。當(dāng)前封裝仍然是一個處于不斷增長中的增量市場，先進(jìn)封裝是增量主要來源。
在后摩爾定律時代，芯片制程的特征尺寸逐漸接近物理極限，以SiP、3D堆疊等為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)成為延續(xù)摩爾定律的途徑之一，由此帶動封裝在電子系統(tǒng)內(nèi)的功能定位逐步升級。測試是保障成品質(zhì)量穩(wěn)定、控制系統(tǒng)損失的關(guān)鍵工藝。
測試主要是對芯片、電路等半導(dǎo)體產(chǎn)品的功能和性能進(jìn)行驗證的步驟，其目的在于將有結(jié)構(gòu)缺陷以及功能、性能不符合要求的半導(dǎo)體產(chǎn)品篩選出來，以確保交付產(chǎn)品的正常應(yīng)用。集成電路封裝技術(shù)的演進(jìn)主要為了符合終端系統(tǒng)產(chǎn)品的需求，為配合系統(tǒng)產(chǎn)品多任務(wù)、小體積的發(fā)展趨勢，集成電路封裝技術(shù)的演進(jìn)方向即為高密度、高腳位、薄型化、小型化。
封裝技術(shù)演進(jìn)圖：
技術(shù)上的局限本質(zhì)上決定了封測企業(yè)的R&D不高同時，封測企業(yè)技術(shù)可以通過IDM授權(quán)獲得因此相對來說封測R&D占比不高也會決定進(jìn)入壁壘不高但國內(nèi)企業(yè)的R&D占比顯著高于海外，tier1還是占據(jù)規(guī)模優(yōu)勢。
▌封測行業(yè)競爭格局解讀
封測企業(yè)率先躋身全球集成電路產(chǎn)業(yè)鏈分工，充分享受全球半導(dǎo)體行業(yè)增長帶來的行業(yè)紅利。全球集成電路企業(yè)主要分為兩類，一種是涵蓋集成電路設(shè)計、制造以及封裝測試為一體的垂直整合型公司（IDM公司），例如三星、英特爾、海力士等獨立專業(yè)化的公司。另外一種則是將IDM公司進(jìn)行拆分形成獨立的公司，可以分為IC設(shè)計公司、晶圓代工廠及封裝測試廠，全球知名封裝測試廠包括安靠、日月光、長電科技、通富微電等。
全球封測行業(yè)歷年競爭格局變化：
中國封裝業(yè)起步早、發(fā)展快，但目前仍以傳統(tǒng)封裝為主。雖然近年中國本土先進(jìn)封測四強(qiáng)（長電 、通富 、華天 、晶方 ）通過自主研發(fā)和兼并收購，已基本形成先進(jìn)封裝的產(chǎn)業(yè)化能力。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，2020年二季度本土廠商長電/華天/通富分別以13.4%/6.4%/5.7%的市占率位居全球封測市場的第三/第六/第七。2020年第二季度全球前十大半導(dǎo)體封測廠商:圖表來源：Gartner, 華泰證券長電科技具有廣泛的技術(shù)積累和產(chǎn)品解決方案，包括有自主知識產(chǎn)權(quán)的Fan-outeWLB、WLCSP、Bump、PoP、fcBGA、SiP、PA封裝等領(lǐng)先技術(shù)。業(yè)務(wù)覆蓋國際、國內(nèi)眾多高端客戶，全球前二十大半導(dǎo)體公司中有85%為公司客戶。華天科技正在逐漸形成天水，西安，昆山三線發(fā)展的格局。三地定位不同，也沒有重復(fù)的客戶，針對不同客戶需求，發(fā)展各自的拳頭產(chǎn)品，形成協(xié)同效應(yīng)。西安的QFN和BGA產(chǎn)線處于鼎盛時期，而昆山是公司發(fā)展的重點，未來的增速也將是最快的。
華天科技的核心客戶包括FPC、匯頂、展訊、MPS、PI、SEMTECH、ST等。
通富微電已在崇川、南通、合肥、廈門、蘇州、馬來西亞檳城六地?fù)碛邪˙umping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先進(jìn)封裝技術(shù)。
根據(jù)公司2020年中報，通富已與國內(nèi)包括中興微電子、聯(lián)發(fā)科、展銳、匯頂科技、卓勝微、兆易創(chuàng)新、博通集成、韋爾科技等半導(dǎo)體知名企業(yè)順利推進(jìn)新品研發(fā)，同時大力拓展日韓及歐洲市場并深耕三星、羅姆、三墾、索喜科技、松下、AMS、Nordic、Dialog等企業(yè)。近幾年的并購經(jīng)歷讓中國封測企業(yè)快速發(fā)展，得到了技術(shù)和市場，但由于中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響以及可選并購標(biāo)的減少，中國封測行業(yè)未來的發(fā)展方向?qū)⑹牵鹤灾餮邪l(fā)+國內(nèi)整合。
封測行業(yè)毛利率均值20%，對比代工業(yè)，方差波動小，技術(shù)的演進(jìn)無法顯著提升毛利水平。封測業(yè)更多通過規(guī)模和資源的推動市占率提升，技術(shù)不是絕對壁壘，后來者有機(jī)會分享蛋糕。
隨著先進(jìn)節(jié)點走向10nm、7nm、5nm，研發(fā)生產(chǎn)成本持續(xù)走高，良率下降，摩爾定律趨緩，半導(dǎo)體行業(yè)逐漸步入后摩爾時代。目前封測行業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)封裝（SOT、QFN、BGA等）向先進(jìn)封裝（FC、FIWLP、FOWLP、TSV等）的轉(zhuǎn)型。先進(jìn)封裝技術(shù)不僅可以增加功能、提升產(chǎn)品價值，還有效降低成本，成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈不可缺少的一部分，半導(dǎo)體封測得益于對更高集成度的需求，隨著5G應(yīng)用、AI、IoT等新興領(lǐng)域的驅(qū)動，市場規(guī)模快速擴(kuò)大，我國封測行業(yè)仍然有望保持高增長。
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