从晶圆应用看自主可控(内附PDF文件)

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从半导体晶圆材料说起:硅与化合物半导体

20世纪50年代,锗(Ge)是最早采用的半导体材料,最先用于分立器件中。集成电路的产生是半导体产业向前迈进的重要一步。但是锗器件的耐高温和抗辐射性能存在短板到,到60年代后期逐渐被硅(Si)器件取代。硅储量极其丰富,提纯与结晶工艺成熟,并且氧化形成的二氧化硅(SiO2)薄膜绝缘性能好,使得器件的稳定性与可靠性大为提高,因而硅已经成为应用最广的一种半导体材料。

半导体器件产值来看,全球95%以上和的半导体器件和99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料。2017年全球半导体市场规模约4122亿美元,而化合物半导体市场规模约200亿美元,占比5%以内。从晶圆衬底市场规模看,2017年硅衬底年销售额87亿美元,GaAs衬底年销售额约8亿美元。GaN衬底年销售额约1亿美元,SiC衬底年销售额约3亿美元。硅衬底销售额占比达85%+。在21世纪,它的主导和核心地位仍不会动摇。但是Si材料的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率器件上的应用

硅晶圆供给厂商格局:日厂把控,寡头格局

日本厂商占据硅晶圆50%以上市场份额。前五大厂商占据全球90%以上份额。其中,日本信越化学占比27%、日本SUMCO占比26%,两家日本厂商份额合计53%,超过一半,中国台湾环球晶圆于2016年12月晶圆产业低谷期间收购美国SunEdison半导体,由第六晋升第三名,占比17%,德国Siltronic占比13%,韩国SKSiltron占比9%,与前四大厂商不同,SKSiltron仅供应韩国客户。此外还有法国Soitec、中国台湾台胜科、合晶、嘉晶等企业,份额相对较小

各大厂商供应晶圆类别与尺寸上有所不同,总体来看前三大厂商产品较为多样。前三大厂商能够供应Si退火片、SOI晶片,其中仅日本信越能够供应12英寸SOI晶片。德国Siltronic、韩国SKSiltron不提供SOI晶片,SKSiltron不供应Si退火片。而Si抛光片与Si外延片各家尺寸基本没有差别。

硅晶圆需求厂商格局:海外为主,国产厂商不乏亮点

IC设计方面,巨头把控竞争壁垒较高,2018年以来AI芯片成为新成长动力。高通、博通、联发科、苹果等厂商实力最强,大陆厂商海思崛起。随着科技发展引领终端产品升级,AI芯片等创新应用对IC产品需求不断扩大,预计到2020年AI芯片市场规模将从2016年约6亿美元升至26亿美元,CAGR达43.9%,目前国内外IC设计厂商正积极布局AI芯片产业。英伟达是AI芯片市场领导者,AMD与特斯拉正联合研发用于自动驾驶的AI芯片。

IC设计面向终端、面向市场成为必然,国内厂商优势明显。IC设计业以需求为导向,才能够更好服务于下游客户。海思、展锐等移动处理芯片、基带芯片厂商依靠近些年中国智能手机市场爆发迅速崛起,跻身世界IC设计十强,海思芯片已全面应用到华为智能手机当中,三星、小米等厂商亦采用了自研芯片,现今中国为全球最大的终端需求市场,因而国内IC设计业有巨大发展优势。

封测方面,未来高端制造+封测融合趋势初显,大陆厂商与台厂技术差距缩小。封装测试技术目前已发展四代,在最高端技术上制造与封测已实现融合,其中台积电已建立起CoWoS及InFO两大高阶封装生态系统,并计划通过从龙潭延伸至中科将InFO产能扩增一倍,以满足苹果A12芯片的需求。封测龙头日月光则掌握顶尖封装与微电子制造技术,率先量产TSV/2.5D/3D相关产品,并于2018年3月与日厂TDK合资成立日月旸电子扩大SiP布局。由于封装技术门槛相对较低,目前大陆厂商正快速追赶,与全球领先厂商的技术差距正逐步缩小,大陆厂商已基本掌握SiP、WLCSP、FOWLP等先进技术,应用方面FC、SiP等封装技术已实现量产。

化合物半导体:5G、3D感测、电动汽车的关键性材料

化合物半导体晶圆供给厂商格局:日美德主导,寡占格局

衬底市场:高技术门槛导致化合物半导体衬底市场寡占,日本、美国、德国厂商主导。GaAs衬底目前已日本住友电工、德国Freiberg、美国AXT、日本住友化学四家占据,四家份额超90%。住友化学于2011年收购日立电缆(日立金属)的化合物半导体业务,并于2016年划至子公司Sciocs。GaN自支撑衬底目前主要由日本三家企业住友电工、三菱化学、住友化学垄断,占比合计超85%。SiC衬底龙头为美国Cree(Wolfspeed部门),市场占比超三分之一,其次为德国SiCrystal、美国II-VI、美国DowCorning,四家合计份额超90%。

化合物半导体晶圆需求厂商格局:IDM与代工大厂并存

化合物半导体产业链呈现寡头竞争格局。IDM类厂商包括Skyworks、Broadcom(Avago)、Qorvo、Anadigics等。2016年全球化合物半导体IDM呈现三寡头格局,2016年IDM厂商Skyworks、Qorvo、Broadcom在砷化镓领域分别占据30.7%、28%、7.4%市场份额。产业链呈现多模式整合态势,设计公司去晶圆化及IDM产能外包成为必然趋势。化合物半导体晶圆代工领域比稳懋为第一大厂商,占比66%,为绝对龙头。第二、第三为宏捷科技AWSC、环宇科技GCS,占比分别为12%、9%。

化合物半导体晶圆下游应用拆分:性能独特,自成体系

化合物半导体下游具体应用主要可分为两大类:光学器件和电子设备。光学器件包括LED发光二极管、LD激光二极管、PD光接收器等。电子器件包括PA功率放大器、LNA低噪声放大器、射频开关、数模转换、微波单片IC、功率半导体器件、霍尔元件等。对于GaAs材料而言,SCGaAs(单晶砷化镓)主要应用于光学器件,SIGaAs(半绝缘砷化镓)主要应用于电子器件。

智能手机:IC设计率先追赶,代工、材料尚待突破

智能手机核心芯片涉及先进制程及化合物半导体材料,国产率低。以目前国产化芯片已采用较多的华为手机为例可大致看出国产芯片的“上限”。CPU目前华为海思可以独立设计,此外还包括小米松果等fabless设计公司,但由于采用12英寸最先进制程,制造主要依赖中国台湾企业;DRAM、NAND闪存国内尚无相关公司量产;前端LTE模块、WiFi蓝牙模块采用了GaAs材料,产能集中于Skyworks、Qorvo等美国IDM企业以及稳懋等中国台湾代工厂,中国大陆尚无砷化镓代工厂商;射频收发模块、PMIC、音频IC可做到海思设+foundry代工,而充电控制IC、NFC控制IC以及气压、陀螺仪等传感器主要由欧美IDM厂商提供。总体来看智能手机核心芯片国产率仍低,部分芯片如DRAM、NAND、射频模块等国产化几乎为零。

通信基站:大功率射频芯片对美依赖性极高

通信基站对国外芯片依赖程度极高,且以美国芯片企业为主。目前基站系统主要由基带处理单元(BBU)及射频拉远单元(RRU)两部分组成,通常一台BBU对应多台RRU设备。相比之下,RRU芯片的国产化程度更低,对于国外依赖程度高。这其中主要难点体现在RRU芯片器件涉及大功率射频场景,通常采用砷化镓或氮化镓材料,而中国大陆缺乏相应产业链。

美国厂商垄断大功率射频器件。具体来看,目前RRU设备中的PA、LNA、DSA、VGA等芯片主要采用砷化镓或氮化镓工艺,来自Qorvo、Skyworks等公司,其中氮化镓器件通常为碳化硅衬底,即GaNonSiC。RF收发器、数模转换器采用硅基及砷化镓工艺,主要厂商包括TI、ADI、IDT等公司。以上厂商均为美国公司,因而通信基站芯片对美国厂商依赖性极高。

AI与矿机芯片:成长新动力,国内设计厂商实现突破

AI芯片与矿机芯片属于高性能计算,对于先进制程要求较高。在AI及区块链场景下,传统CPU算力不足,新架构芯片成为发展趋势。当前主要有延续传统架构的GPU、FPGA、ASIC(TPU、NPU等)芯片路径,以及彻底颠覆传统计算架构,采用模拟人脑神经元结构来提升计算能力的芯片路径。

前景展望:部分领域有望率先突破,更多参与全球分工

现阶段国产化程度低,半导体产业实际依靠全球合作。尽管我国半导体产业目前正处于快速发展阶段,但总体来看存在总体产能较低,全球市场竞争力弱,核心芯片领域国产化程度低,对国外依赖程度较高等现状。

国内政策加速半导体行业发展。近年来我国集成电路扶持政策密集颁布,融资、税收、补贴等政策环境不断优化。尤其是2014年6月出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》,定调“设计为龙头、制造为基础、装备和材料为支撑”,以2015、2020、2030为成长周期全力推进我国集成电路产业的发展:目标到2015年,集成电路产业销售收入超过3500亿元;到2020年,集成电路产业销售收入年均增速超过20%;到2030年,集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,实现跨越发展。

 

 


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