國產半導體騰飛機遇來臨 總投資已超5000億

2019年10月05日 13:22 次閱讀 稿源:智東西 條評論

目前, 我國半導體市場供需兩層不匹配,國產化率亟需提升 。一方面,終端產品供需不匹配。 2018年中國集成電路市場規模1550億美元,但國產集成電路規模僅238億美元,國產化率僅約15%;另一方面,制造端的設備供需不匹配。國內半導體設備市場規模約145億美元,但國產設備規模僅14億美元不到,國產化率僅約10%。

因此,從產業發展的角度,一方面,國內半導體制造領域仍有較大發展空間;另一方面,制造領域的設備仍有較大的國產提升空間。

本期的智能內參,我們推薦中信建投的研究報告《半導體設備國產進程加速》,解析半導體國產化現狀,政策、資金、產業等推動因素,并討論半導體設備市場格局與國產化進度。如果想收藏本文的報告(半導體設備),可以在智東西公眾號回復關鍵詞“nc404”獲取。

一、提升國產化率刻不容緩

1、 我國半導體市場規模和占比不斷提升

2010年起,全球半導體行業保持穩步增長,過去十年( 2009-2018年)全球半導體銷售額CARG為7.55%,全球GDP CAGR為3.99%,而我國集成電路銷售額CARG為25.03%,我國行業整體增速為全球半導體行業增速的3.3倍,而全球半導體行業整體增速是全球GDP增速的2倍左右;

與此同時,在PC、智能手機等領域強大的整機組裝制造能力使我國成為全球最大的半導體消費市場,在全球占比達到了33%,比第二名的美洲高出11個百分點,我國半導體市場無論是絕對規模增速還是占比都不斷提升。

▲我國半導體規模和占比不斷提升

▲2018年全球半導體產業市場規模分布

2、 我國半導體市場供需不匹配

一方面,終端產品供需不匹配。2018年中國集成電路市場規模1550億美元,但國產集成電路規模僅238億美元,國產化率僅約15%;

另一方面,制造端的設備供需不匹配。2018年中國半導體設備市場規模達到131.1億美元,但據中國電子專用設備工業協會統計, 2018 年國產半導體設備銷售額預計為 109 億元,自給率僅約為12%。考慮到以上數據包括集成電路、 LED、面板、光伏等設備,實際上國內集成電路設備的國內自給率僅有 5%左右,在全球市場僅占 1-2%份額。半導體設備進口依賴長期看將嚴重阻礙中國半導體行業的自主發展,國內需求與國內供給的缺口昭示著巨大的國產化空間。

▲2018年國產半導體集成電路自給率僅15%

▲2018年國產半導體設備自給率僅12%

3、 貿易戰對我國半導體核心技術“卡脖子”

美國制裁中興華為反映創新“短板”,華為事件影響深遠,引發全球半導體供應鏈“地震”,暴露出核心技術被“卡脖子”的風險,催化國內半導體等核心科技領域發展,國產自主可控替代有望加速;

半導體行業產業鏈中上游為我國薄弱環節,其中上游半導體設備和中游制造對美依存度高,核心領域國產芯片占有率多數為0%;相比之下,中游封測和下游終端市場領域對美依存度小,受到影響相對較小。

▲半導體產業鏈受貿易戰影響分化

4、 后貿易戰時期,國內半導體設備廠商的一些變化

設備企業前瞻布局非美國地區零部件采購 。一般來說,半導體設備的零部件分為四大部分。在這四大類中,精密加工件、普遍加工件現在基本沒有制約,通用外購件(包括接頭、氣缸、馬達等)占比比較小,因此現階段供應管理關注的重點是外購大模塊, 包括設備專用模塊和通用模塊(機械手、泵等)。外購大模塊數量上占比不高,可能只有10-20%,但價值占比60-80%;

所以我們講零部件的國產化,主要是講外購大模塊的國產化。預防產業風險和成本控制需要通過對外購大模塊進行供應鏈拓展、批量采購等方式實現。

▲外購大模塊受產業影響風險較大

大部分品類現階段國內基礎差,沒有成熟技術,沒有產品。從進口比例來看,前十大子系統供應商中,美國市場和日本市場占比最高。設備企業正逐漸將采購鏈條從美國轉移至日本、英國等地區。

▲前十大零部件采購需求占比及前十大子系統供應商占比

二、國產化的推動因素

1、 全球半導體行業景氣度有望觸底回暖

理論上看,全球半導體行業具有技術呈周期性發展、市場呈周期性波動的特點 。1998~2000年,隨著手機的普及和互聯網興起,全球半導體產值不斷上升,尤其在2000年增長38.3%;隨著互聯網泡沫的破裂, 2001年全球半導體市場下跌32%;隨后Window XP的發布,全球開始新一輪PC換機潮,半導體市場2002~2004年處于高速增長階段;2005年半導體市場出現了周期性回落, 2008年和2009年受金融危機的影響出現了負增長;

2010年,隨著全球經濟的好轉,全球半導體產值增長34.4%。2011-2012年受歐債危機、美國量化寬松貨幣政策、日本地震及終端電子產品需求下滑影響,半導體銷售增速分別下降為 0.4%和-2.7%;

2013年以來, PC、手機、液晶電視等消費類電子產品需求不斷增加,全球半導體產業恢復增長,增速達 4.8%。2014年全球半導體銷售市場繼續保持增長態勢,增速達 9.9%;2015-2016年,全球半導體銷售疲軟。

2017年,隨著AI芯片、 5G芯片、汽車電子、物聯網等下游的興起,全球半導體行業重回景氣周期。

2018年下半年,受到存儲器價格下降、全球需求疲軟和中美貿易戰的影響,全球半導體發展動力不足。但展望2019年下半年,受益于消費領域、智能手機需求回暖,全球半導體市場發展趨穩并有望實現增長。

2、 上游半導體設備銷售有望隨之向好

數據上看, 2019年全球半導體設備銷售同比負增長, 2020年將大幅反彈 。2018年,全球半導體設備銷售額達645億美元,同比增速高達14%,創下歷史最高;受到多因素影響, 2019年半導體設備廠商短期承壓, SEMI預計2019年全球半導體設備銷售下降18.4%至529億美元。

展望2020年,由于存儲器投資復蘇和在中國大陸新建及擴建工廠, SEMI預計半導體制造設備2020年的全球銷售額為588億美元,比2019年增長12%。其中,包括外資工廠在內的對中國大陸銷售將達到145億美元, 預計中國大陸成為半導體制造設備的最大市場。

3、 我國政策、資金、市場環境三面扶持

對標海外:政策支持、資金幫扶、下游產業支撐是推動行業進步不可或缺的幾個方面 。 80年代工業PC時代,日本半導體以存儲器(DRAM為主)為切入口,在日本政府和產業界聯合推動下,吸收美國技術并整合日本工業高質量品控體系,實現IC產品超高可靠性,順利實現趕超美國;

90年代消費電子大潮,韓國半導體在韓國政府和財團的共同推動下,積極開拓高性價比IC產品,帶動亞洲電子產業鏈崛起,實現了長達20多年的持續崛起。而此時的臺灣則通過創新的產業模式,從IDM轉為垂直分工,依靠大量投資建成了世界領先的晶圓代工廠臺積電和聯電,在技術水平上達到世界頂尖;

▲政策支持、資金幫扶、下游產業支撐是推動行業進步不可或缺的幾個方面

政策:產業政策頻發,彰顯扶持半導體產業決心 。“十二五”期間,政府開始大力支持IC產業發展,先后出臺了《國家IC產業發展推進綱要》 和“國家重大科技專項”等政策。其中以2014年發布的綱要最為詳細,被視為國家為IC產業度身定制的一份綱要,明確顯示了政策扶持半導體產業的決心。

2014年9月,國家IC產業基金正式成立。以直接入股方式,對半導體企業給予財政支持或協助購并國際大廠。

目前我國半導體產業的自給率才只有不到15%, 《中國制造2025》 的目標是2020年自給率達40%,2050年達到50% 。

▲根據規劃, 2015-2020年, IC產業產值CAGR達20%以上

資金:截至2018年5月,一期大基金已累計投資70個項目,承諾出資1200億,實際出資1387億 。已實施項目覆蓋設計、制造、封裝測試、設備、材料、生態建設各環節;一期大基金主要投向芯片制造環節,占全部承諾投資額的67%,目前已經支持了中芯國際、上海華虹、長江存儲等;在設計領域,大基金主要在CPU、 FPGA等高端芯片領域展開投資,占承諾投資額的17%;在封裝測試產業方面,大基金則重點支持長電科技、華天科技、通富微電等項目,占承諾投資額的10%;

相比之下,大基金在裝備和材料環節的投資規模和力度要小很多,但仍然在推進光刻、刻蝕、離子注入等核心裝備抓住產能擴張時間窗口,擴大應用領域。

▲國家大基金資金主要投向集成電路制造環節

資金:大基金二期募資規模2000億左右,加強設備領域投資 。

▲二期大基金將加強設備領域投資

資金:大基金撬動地方基金,集成電路產業正迎來密集投資期 。IC產業屬于資本開支較重的產業,“大投入,大收益;中投入,沒收益,小投入,大虧損” ; 全球看,每年半導體資本開支接近600億美元,而英特爾、臺積電、三星等巨頭每年的資本開支均在100 億美元左右,只憑大基金的支持仍然投入有限; 根據我們的統計,除了規模近1400億的大基金之外,各集成電路產業聚集的省市亦紛紛成立地方集成電路基金,截至到2019年4月,全國有15個以上的省市成立了規模不等的地方集成電路產業投資基金,總計規模達到了5000億元左右。通過大基金、地方基金、社會資金以及相關的銀行貸款等債券融資,未來10年中國半導體產業新增投資規模有望達到10000億元水平。

▲中國各省市開始密集投資布局半導體產業

市場:大陸建廠潮為半導體設備行業提供了巨大的市場空間 。根據SEMI發布的全球晶圓廠預測報告預估, 2017 -2020年的四年間,全球預計新建 62 條晶圓加工線,其中中國大陸將新建26座晶圓廠,成為全球新建晶圓廠最積極的地區,整體投資金額預計占全球新建晶圓廠的 42%,為全球之最。

市場:大陸半導體資本開支持續增長,拉動半導體設備發展 。當前大陸成為全球新建晶圓廠最積極的地區,以長江存儲/合肥長鑫為代表的的存儲器項目和以中芯國際/華力為代表的代工廠正處于加速擴產的階段,預計帶來大量的設備投資需求。

三、半導體設備市場競爭格局與國產化進度

1、IC制造流程復雜,大多數設備被國外廠商壟斷

晶圓制造(前道,Front-End) :

▲晶圓制造環節具體設備及主要廠商

封裝(后道,Back-End )測試 :

▲封裝測試環節具體設備及主要廠商

全球集成電路裝備市場總體高度壟斷 。特點:技術更新周期短帶來的極強技術壁壘,市場壟斷程度高帶來的極大市場壁壘,以及客戶間競爭合作帶來的極高認可壁壘。因此,集成電路裝備市場高度壟斷,細分市場一家獨大;從分布看,全球前十大集成電路裝備公司基本上被美國、日本、歐洲企業占據; 從比例看,全球前十大拿走行業80%的份額;應用材料(美國)、 ASML(荷蘭)、 TEL東京電子、泛林(美國)、科磊(美國)位列前五,前五名拿走68%的份額;前30拿走92%的份額,前20拿走87%的份額。

▲全球IC裝備市場高度壟斷

全球IC制造細分設備市場也高度壟斷 。從細分設備來看,每個具體設備基本上大部分份額被前三大企業占據,基本上都是80-90%的份額; 前三大廠商中,也基本都是一家獨大,第一占據了40-50%的份額。

▲細分設備市場也高度壟斷

我國集成電路裝備市場高端占比偏小,且大部分為國外廠商 。2018年中國半導體設備市場規模達到131.1億美元,但據中國電子專用設備工業協會統計, 2018 年國產半導體設備銷售額預計為109億元;預計2020年中國半導體設備總市場規模將超1000億。

▲國內廠商規模普遍較小,且大部分在光伏、 LED領域占比較高

邊際變化:在諸多工藝環節中,開始出現了一些國產廠商 。分地區看,形成三個產業集群:北京:北方華創、中電科集團、天津華海清科(CMP);上海:上海微電子、上海中微半導體、上海盛美、上海睿勵科學儀器;沈陽:沈陽拓荊、沈陽芯源;

▲主流65-28nm客戶不定量的采購的12類設備清單

▲國內已有9項應用于14nm的裝備開始進入生產線步入驗證

75-80%的資本開支使用在設備投資里,設備投資中的70-80%在晶圓制造環節設備里 。光刻設備、刻蝕設備、薄膜設備( ALD/CVD 53%、 PVD 47%)占比最高,分別20-25%、 25%、 20-25%;擴散設備、拋光設備、離子注入設備各占設備投資的5%,量測設備占設備投資的5~10%。

▲晶圓生產線各類設備投資占比

2、 光刻設備:光刻機是生產線上最貴的機臺, ASML全球領先

光刻工藝是最復雜的工藝,光刻機是最貴的機臺 。主流微電子制造過程中, 光刻是最復雜、昂貴和關鍵的工藝,占總成本的1/3;目前的28nm工藝則需要20道以上光刻步驟,耗費時間約占整個硅片工藝的40~60%。光刻工藝決定著整個IC工藝的特征尺寸,代表著工藝技術發展水平;

具體流程: 首先要在硅片上涂上一層耐腐蝕的光刻膠,隨后讓強光通過一塊刻有電路圖案的鏤空掩模板照射在硅片上。被照射到的部分(如源區和漏區)光刻膠會發生變質,而構筑柵區的地方不會被照射到,所以光刻膠會仍舊粘連在上面。接下來就是用腐蝕性液體清洗硅片,變質的光刻膠被除去,露出下面的硅片,而柵區在光刻膠的保護下不會受到影響。

光刻機是生產線上最貴的機臺,千萬-億美元/臺。主要是貴在成像系統(由15~20個直徑為200~300mm的透鏡組成)和定位系統(定位精度小于10nm)。一般來說一條產線需要幾臺光刻機,其折舊速度非常快,大約3~9萬人民幣/天,所以也稱之為印鈔機。

ASML占據70-80%市場份額,且領先地位無人撼動 。荷蘭ASML占據超過70%的高端光刻機市場,且最新的產品EUV光刻機售價高達1億美元,依舊供不應求。緊隨其后的是Nikon和Canon。 光刻機研發成本巨大, Intel、臺積電、三星都主動出資入股ASML支持研發,并有技術人員駐廠;格羅方德、聯電及中芯國際等的光刻機主要也是來自ASML;

國內光刻機廠商有上海微電子、中電科集團四十五研究所、合肥芯碩半導體等。在這幾家公司中,處于技術領先的是上海微電子,其已量產的光刻機中性能最好的是90nm光刻機。由于技術難度巨大,短期內還是處于相對劣勢的地位。

▲1970年起,光刻機價格每4.4年翻一倍

3、 刻蝕設備:機臺國產化率已達15%

國產刻蝕機的機臺市場份額已約15% 。工藝流程: 所謂刻蝕,狹義理解就是光刻腐蝕,先通過光刻將光刻膠進行曝光處理,然后通過其它方式實現腐蝕處理掉所需除去的部分。刻蝕可分為干法刻蝕和濕法刻蝕。顯而易見,它們的區別就在于濕法使用溶劑或溶液來進行刻蝕。

刻蝕設備分類: 在8寸晶圓時代,介質(40%)、多晶硅(50%)及金屬刻蝕(10%)是刻蝕設備三大塊;進入12寸后,隨著銅互連的發展,介質刻蝕份額逐漸加大,目前已近50%;

中微半導體的16nm刻蝕機已實現商業化量產并在客戶的產線上運行, 7-10nm刻蝕機設備以達到世界先進水平。截至2018年末,中微半導體累計已有1100多個反應臺服務于國內外40余條先進芯片生產線。目前中微產品已經進入第三代10nm、 7nm工藝(臺積電), 5納米等離子體刻蝕機已經臺積電驗證;除中微外,北方華創在硅刻蝕機方面也有突破。

4、 成膜設備:機臺國產化率約10-15%

成膜設備分兩大類, 機臺市場份額約10-15% 。工藝流程: 在集成電路制備中,很多薄膜材料由淀積工藝形成。主要包括化學氣相 (CVD)淀積和物理氣相淀積 (PVD)兩大類工藝; 一條投資70億美元的芯片制造生產線,需用約5億美金采購100多臺PECVD設備; 從全球范圍看, AMAT在CVD設備和PVD設備領域都保持領先;北方華創、中微公司等企業等小有突破:其中北方微電子的PVD可用于28nm的hard mask工藝,并且可以量產;中微兩條線推進CVD,一方面中微應用于LED領域的MOCVD市占率已經全球領先 ,另一方面投資沈陽拓荊,完善產品線布局。

▲AMAT在CVD設備和PVD設備領域都保持領先

▲總體看, PVD是國產化進展較快的一類設備

5、 檢測設備

半導體中的檢測可分為前道量測和后道測試兩大類 。其中前道檢測更多偏向于外觀性/物理性檢測,主要使用光學檢測設備、各類inspection設備;后道測試更多偏向于功能性/電性測試,主要使用ATE設備及探針臺和分選機;從價值量占比看,前道量測設備也可稱為工藝控制檢測設備,是晶圓制造設備的一部分,占晶圓制造設備投資占比約10%;后道測試設備獨立于晶圓制造設備,占全部半導體設備比例約8%。

▲可以簡單把加工過程劃分為前道晶圓制造與后道封裝測試

▲量測設備和測試設備屬于兩個不同環節

前道晶圓量測(Wafer Metrology)主要在wafer制造環節。在芯片制造過程中,為了保證晶圓按照預定的設計要求被加工,必須進行大量的檢測和量測,包括芯片線寬度的測量、各層厚度的測量、各層表面形貌測量,以及各個層的一些電子性能的測量;用到的設備:缺陷檢測設備、晶圓形狀測量設備、 掩膜板檢測設備、 CD-SEM(微距量測掃描式電子顯微鏡)、顯微鏡等。

后道測試主要在封測環節,分為中測和終測 。后道中測(CP, circuit probe),主要在芯片封裝前: 主要是測試整個晶圓片(wafer)上每個芯粒(die)的邏輯。簡單來說, CP是把壞的Die挑出來并標記出來,后續只封裝好的die。這樣做可以減少封裝和測試的成本,也可以更直接的知道Wafer的良率。用到的設備:測試機(IC Tester / ATE)、探針卡(Probe Card)、探針臺(Prober)以及測試機與探針卡之間的接口等。

后道終測(FT, final test),主要在芯片封裝后:測試每顆封裝好的芯片(chip)的邏輯。簡單來說, FT是把壞的封裝好的chip挑出來,可以直接檢驗出封裝環節的良率;用到的設備:測試機(IC Tester)、分揀機/分類機(Handler)等。

測試設備三大設備之ATE競爭格局:測試設備包括三大類:測試機、探針臺、分選機,其中測試機市場空間占比過半;全球集成電路測試設備市場主要由美國泰瑞達和日本愛德萬占據,兩者總體合計市占率超過50%。細分來看,在測試機市場中, SOC測試機、存儲器測試機的市場占比合計近90%,而愛德萬+泰瑞達的市場份額超過80%;目前國內已經裝配的測試系統主要偏重在低檔數字測試系統、模擬及數模混合測試系統等,領先廠商包括長川科技、華峰測控、上海中藝等。本土廠商在中高檔測試能力部分目前仍十分薄弱,尚無法與國外業者相抗衡(包括愛德萬Advantest、泰瑞達Teradyne、 Verigy、居諾JUNO半導體等)。但目前國產中、高檔測試系統已經研制成功,正進入小批量生產階段。上市公司中,國產廠商長川科技正全面布局數模混合、模擬、數字信號測試機+探針臺;精測電子已布局memory ATE和面板驅動IC ATE,期待后續產品出貨。

測試設備三大設備之探針臺競爭格局:探針測試臺(Prober)是前后道工序之間用于對半導體器件芯片的電參數特性進行測試的關鍵設備,它可以將電參數特性不符合要求的芯片用打點器(INKER)做一明顯標記, 便于在后道工序中及時將其剔除, 這樣就有效地提高了半導體器件生產的成品率,大大降低器件的制造成本。在具體測試的時候,晶圓被固定在真空吸力的卡盤上,并與很薄的探針電測器對準,同時探針與芯片的每一個焊盤相接觸。 電測器在電源的驅動下測試電路并記錄下結果。 測試的數量、順序和類型由計算機程序控制。

一般來說,探針臺的單價在百萬級別,遠高于分選機。根據統計,探針臺的市場份額約占總測試機+探針臺+分選機的市場空間的15-20%左右。以東京電子(TEL)為代表的廠商雄霸全球探針測試設備市場,而國內廠商中,長川科技已有探針臺產品布局。

智東西認為,國內集成電路設備的國內自給率僅有 5%左右,在全球市場僅占 1-2%份額,而且,產業鏈中上游核心領域芯片多數占有率基本為0%。半導體設備進口依賴長期看將嚴重阻礙中國半導體行業的自主發展,國內需求與國內供給的缺口昭示著巨大的國產化空間。集成電路領域對外依賴十分嚴重,現在,集成電路已經成為我國進口金額最大的產品種類,進出口的貿易逆差逐年擴大,逆差增速還在持續提升。但是,在資金、政策、市場環境三方面利好下,市場格局正在發生深刻的變化,希望在未來的5-10年內,半導體行業被“卡脖子”的局面不復存在。

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