全面剖析!半导体制造业的关键——硅产业链和代工厂

 

 

半导体制造是目前中国半导体产业发展的最大瓶颈,电脑 CPU、手机 SOC/基 带等高端芯片,国内已经有替代,虽然性能与国际巨头产品有差距,但是至少 可以“将就着用”。 
然而,中国半导体制造正处于“0~1”的突破过程中,假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工,那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。
本文讲半导体制造,涉及到半导体产业链有硅、代工厂。 
全面剖析!半导体制造业的关键——硅产业链和代工厂
01
硅产业链
 

硅是极为常见的一种元素,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。
按照工艺类型,半导体硅片可分为抛光片、外延片和以 SOI 硅片为代表的高端硅基材料。
一般而言,8 寸以下的集成电路产线用抛光片,45nm 及以下线宽的 12 寸晶圆用外延片,SOI 是一种新型工艺。
1、抛光片是应用范围最广泛,用量最大、最基础的产品,其他的硅片产品也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。抛光片去除了表面残留的损伤层, 实现了硅片表面的平坦化,可用于制作存储芯片、功率器件及外延片的衬底材料
2、外延片是在抛光片衬底上生长一层单晶硅,这层单晶硅称为外延层;在外 延层上注入基区、发射区等等。因为,在双极型器件和集成电路中,为了 减小集电极串联电阻,以降低饱和压降与功耗。可用于通用处理器芯片、 图形处理器芯片、二极管、IGBT 功率器件的制造
3、SOI 硅片能够减少寄生电容和漏电现象,消除闩锁效应。在 MOSFET 及其集成电路中,主要是为了降低导通压降与功耗,有时是为了隔离的需要。在 CMOS-IC 芯片中,比较多地倾向于采用 SOI 衬底片,主要是为了减弱 或者避免闩锁效应,同时也可以抑制短沟道效应,这对于 ULSI具有重要的意义,被用于射频前端芯片、功率器件、汽车电子等领域。 
绝缘体上硅还用于航天电子、导弹等武器系统的控制和卫星电子系统的新型硅 材料,实现了 CMOS 和双极电路的全介质隔离,具有无闭锁、高速、低功耗、 高封装密度、抗辐射、耐高温(300 度)优点。 
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硅片制造工序为:拉晶—切片—磨片—倒角—刻蚀—抛光—清洗—检测,其中 拉晶、抛光和检测为硅片制造核心环节。 
半导体制造商在合格的硅片上刻电路(半导体制造),制造完备后再封装测试。
 
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上游硅片市场规模 2018 年全球硅片出货面积达 127.3 亿平方英寸,同比 2017 年增长 7.81%。2018年全球硅片销售金额为114亿美(其中中国大陆半导体硅片9.96亿美元), 同比 2017 年增长 30.65%,其中每平方英寸单价为 0.89 美元,较 2017 年增长 21%。  2016~2018 全球半导体硅片市场销售规模 CAGR 达 25.75%。 
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02
五大硅片厂垄断市场 
 

全球半导体硅片市场主要集中在几家大企业,行业集中度高,技术壁垒较高。
2018 前 5 大硅片厂商合计 95%市场份额,行业前五名企业的市场份额分别为:日本信越化学市场份额 28%,日本 SUMCO 市场份额 25%,德国 Siltronic 市 场份额 14%,中国台湾环球晶圆市场份额为 14%,韩国 SKSiltron 市场份额占 比为 11%,法国 Soitec 为 4%。 
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03
半导体代工厂的三大指标
 

一是先进制程达到多少纳米 
工艺制程反应半导体制造技术先进性,目前能够量产的最先进工艺是台积电的 5nm,国内半导体代工厂最新先进的是中芯国际的 14nm。此处的 14nm、5nm 是指芯片内部的晶体管的栅长,通俗讲就是芯片内部的最小线宽。 
一般情况下,工艺制程越先进,芯片的性能越高,特别是数字电路。 
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从工艺制程组成看,全球 40%的半导体代工厂收入来自 40nm 及以下的先进工艺制程,这个比例将来会提升。 
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二是晶圆尺寸趋于大硅片  
目前,全球主要晶圆尺寸是 6 寸、8 寸、12 寸
 
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生产功率半导体主要使用 6 英寸和 8 英寸硅片,微控制器使用 8 英寸硅片,逻辑芯片和存储芯片则需要 12 英寸硅片,因此随着半导体技术的发展和市场需求 的变化,目前硅片正向大尺寸趋势发展。 
2018 年,全球 12 英寸硅片需求平均值要在 600-650 万片/月,而 8 英寸硅片需求 平均值在 550-600 万片/月。
从技术角度来看,12 英寸硅片需求主要被 NAND 和 DRAM 所驱动,从市场角度来讲,智能手机的存储量逐渐增长以及对数据传 输的依赖,促进了固态硬盘(SSD)对原有机械硬盘(HDD)的替代;传感器 在智能手机中的运用也起到了一定的作用。
8 英寸硅片被更多的运用在了汽车 电子领域,如 ADAS 系统与车载娱乐的普及,加剧了市场对逻辑电路以及高精 度元器件的需求,长期来看 8 英寸硅片也依然有巨大需求。 
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三是产能决定短期业绩 
一般情况下,半导体制造厂商不会轻易扩产,产能在 1 年左右的短期内是稳定的,当半导体景气度来临,产能决定公司的收入。 
截至 2019 年 Q3,全球主要半导体代工厂产能排名:台积电、联电、中芯国际、 世界先进、华虹半导体
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04
工艺制程不是越先进越好
 

一是上游 IC 设计费用越来越高。
先进制程满足为设备提供了良好的功耗比,但 是 IC 设计费用越来越高,代际设计费用增速也越来越高。例如 7nm 芯片设计成本超过 3 亿美元,华为 mate20  麒麟 980 芯片就是用台积电的 7nm 工艺制程,麒麟 980 是由超过1000 名半导体工程师组成的团队历时 3 年时间、经历超过 5000 次的工程验证才成功应用。
IBS 的测算要是基于 3nm 开发出 NVIDIA GPU 设计成本达 15 亿美元。从芯片设计经济效益看,7nm 是长期存在节点,5nm/3nm 的功耗性能面积成本难达到平衡点,除非有超额的出货量来均摊成本。 
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二是工艺逼近极限,中游投资增加但边际效果下降 。
14nm 之前,每 18 个月进步一代的制程,性价有 50%的提升,14nm 之后,趋势就已经逐渐衰微了。例如,当处理器速度提升 1 倍,但用户体验到的速度达不到 1 倍。用户体验是 一个完整系统,处理器性能发挥受到内存、系统软件、网络等限制。
工艺尺寸的升级需要光刻系统配合,7nm 后光刻系统已经从 DUV 转向 EUV 升 级,投资成本急剧增加,例如三星 7nm 产线投资额 56 亿美元升级 Hwaseong 的晶圆厂,需要 8 台 EUV,每套 EUV 系统 15 亿人民币。 
另外,工艺升级晶体管升级也要创新,14nm 开创了 FinFET,3nm 需要 GAA 经晶体管结构,晶体管级的创新对代工厂的产线来说是彻底的改造。 
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三是客户从代工厂稳定性可靠性考虑。
技术路线符合客户需求——客户希望代工厂的投入、发展方向符合客户技 术发展方向;对现有工艺差异化技术需求。 
 
扩大客户投资价值——客户希望从每一代技术中获得更多价值,充分利用 设计每个技术节点所需的大量投资。
财务稳健确保供应——客户希望代工厂的财务稳健,以满足未来十年芯片 生产需求。考虑以上因素,格罗方德、联电都放弃 14/12nm 以下的开发。
05
先进制程和特殊工艺双向发展
未来半导体工艺发展有两个方向,一是继续追求先进制程小型化,典型代表台积电、三星、英特尔、中芯国际;二是聚焦特色工艺的满足多样化需求,实现人与环境的互动,例如华虹半导体、联电、格罗方德、世界先进。
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代工增速超半导体行业整体增速半导体厂商模式分为只有设计无制造的 Fabless 模式和有设计有制造的 IDM
Fabless、IDM、系统厂商都是代工厂的客户。 
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2019 年,中国大陆半导体代工市场规模预计在 110 亿美元同比增长 14.6%。
 
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2019 年全球 Fabless 半导体代工需求为 1260 亿美元,同比增长 13.5%,其中中国市场需求为 280 亿美元,同比增长 21.7%。 
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DIM 厂商产能不足的时候将会找代工厂,一些 system 厂商自己做芯片,例如汇川 (变频器)、合肥阳光(电源)、英威腾(变频器),这些终端系统商为了减低成本,保证供应链,自己设计芯片交给代工厂制造。
 
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半导体代工增速超半导体行业增速,2013~2019 年,全球半导体增长 34%,而 Fabless 需求(对应代工厂收入)增加 83%。 
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代工厂排名 2019 年 Q3 全球十大晶圆厂排名为:台积电、三星、格罗方德、联电、中芯国 际、高塔、华虹、世界先进、力晶、东部高科。 国内代工龙头中芯国际排名第五,市场占有率 4.4%。 
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06
美国垄断供应亚太垄断需求
中长期看,作为科技制高点的半导体将成为国内和全球贸易、科技的焦点,在 实业和资本市场都将不会平静。理解了半导体产业,才能把握科技发展趋势。
在深入研究半导体行业之前,我们首先明确行业基本概念。半导体包括光电子、 传感器、微电子;其中的微电子是重中之重
集成电路(Integrated Circuit,简 称 IC)是微电子中的核心,CPU、GPU、FPGA、NPU 等都属于此类,一块芯片上包含很多晶体管。广义芯片指光电子、传感器、微电子产品,狭义芯片单指集成电路。
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2018 年集成电路占半导体 84%份额,在集成电路中,存储器、逻辑电路、微处理器、模拟电路分别占 40%、28%、17%、15%
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亚太是集成电路需求大户 从芯片需求看,亚太地区占 60%的市场需求,一是因为日本、韩国、中国大陆、中国台湾地区拥有众多 IC 下游产业,是全球工厂;二是亚太地区人口众多,电 子设备市场需求大。 
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美国主导芯片供应 2018 年美国芯片公司依然主导了整个芯片市场,全球市场份额占比超过 50%。IC 设计公司按照是否拥有工厂,分为无晶圆工厂的 fabless 模式,有晶圆工厂 的 IDM 模式。 
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美国无晶圆厂芯片公司占据全球 68%分市场份额,而美国有晶圆厂芯片公司占 据全球 46%分市场份额,两者合计市场份额为 52%。 
排名第二的是韩国,无晶圆厂、有晶圆厂全球市场份额分别为不到 1%、35%, 合计市场份额 27%。第三名的日本,无晶圆厂、有晶圆厂全球市场份额分别为 不到 1%、9%,合计市场份额 7%。欧盟的无晶圆厂、有晶圆厂全球市场份额分 别为 2%、7%,合计市场份额 6%。 
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中国大陆,无晶圆厂、有晶圆厂全球市场份额分别为 13%、不到 1%,合计市场份额 3%,中国大陆 IC 公司主要为无晶圆厂公司。 
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原文始发于微信公众号(芯师爷):全面剖析!半导体制造业的关键——硅产业链和代工厂

 

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