半导体深度研究报告.pdf

2019 Celestial Research 华辰产业研究院華辰資本CELESTIAL CAPITAL专注中国产业结构升级与创新，聚焦新一代信息技术产业发展。2018年，在中国经济周期、产业周期、资本周期与政治周期四重叠加的特殊时期，本着“深耕产业、协同发展、价值驱动、重度赋能”的愿景，华辰资本（“华辰”）应运而生，致力成为中国最专业的创新型投资机构。华辰资本总部位于中国最具发展活力与科技创新的深圳，专注于包括云计算、大数据、人工智能、边缘计算、工业互联网、 5G等新一代信息技术领域，通过扎实的体系化产业研究与理解能力，以产业研究、投资银行、战略咨询、产业基金等模式，为新一代信息技术企业提供企业融资、战略视野、市场协同，价值管理、供应链管理、资源整合等产业赋能。2019 Celestial Research 华辰产业研究院一、产业分析 . 03 基本概况芯片组成产业链构成发展模式二、芯片设计 . 11三、晶圆生产 . 17四、芯片封测 . 29五、材料设备 . 37六、芯片应用 . 45目录一、产业分析2019 Celestial Research 华辰产业研究院资料来源：公开信息、华辰资本整理图 1 封装完毕的芯片外观图基本概况1. 芯片概念：又称为集成电路 ,（ integrated circuit，简称 IC ），微电路（ microcircuit）、微芯片（ microchip）、晶片 /芯片（ chip）；平时“集成电路 ”和 “芯片 ”两者常被当作同一概念使用；为避免混淆，本报告中集成电路、 IC均指芯片概念。2. 芯片结构：完整封装的芯片是由针脚、基板和核心电路组成（图 3）。3. 芯片生产：集成电路经过设计、制造、封装等一系列操作后形成。4. 集成电路：更着重电路的设计和布局布线（如图 4），而芯片更看重电路的集成、生产和封装这三大环节。4图 2 集成电路板图 3 芯片内外部结构组成图 4 AMD的 APU内部结构产业分析 | 基本概况2019 Celestial Research 华辰产业研究院资料来源：公开信息、华辰资本整理图 5 芯片内部模块层级芯片组成一：内部模块1. 芯片内部结构：用来控制三极管的开启和关闭组成与或非等逻辑门，逻辑门和寄存器组合形成各种加法器，触发器，等各种基本电路，进而再组合形成专用电路，最终构成系统级集成电路（层级关系如图 6）。2. 系统级：由多个半导体芯片以及电阻、电感、电容相互连接组成的，称为系统级（将整个系统做在一个芯片上 SoC技术）。3. 模块级：如管理电源，通信管理，显示管理，发声管理，统领全局计算等。4. 寄存器传输级（ RTL）：一个复杂模块由众多的组合逻辑和寄存器组合而成，组合逻辑和寄存器构成的层级称之为寄存器传输级。5. 组合逻辑：由很多“与（ AND）、或（ OR）、非（ NOT）”逻辑门构成的组合。6. 寄存器：能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。电路中矩形波震荡一个周期是一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。7. 门级：诸如寄存器也是由与或非逻辑构成的，把它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级（它们就像一扇扇门一样，阻挡 /允许电信号的进出，因而得名）。8. 晶体管级：所有的逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或、同或等等）都是由一个个晶体管构成的。5系统级模块 1 模块级 2加法器多个寄存器多个逻辑门级众多晶体管级多个组合逻辑多个逻辑门级众多晶体管级触发器多个寄存器多个逻辑门级多个组合逻辑多个逻辑门级其他基本电路模块级 3 更多模块产业分析 | 芯片组成（ 1/2）2019 Celestial Research 华辰产业研究院资料来源：公开信息、华辰资本整理图 6 芯片晶体管与导线垂直面芯片组成二：核心是晶体管的工艺制造芯片从宏观到微观，达到最底层，其实全是晶体管以及连接它们的导线。芯片的制造过程包括芯片设计、晶元生产和芯片封装以及测试等环节；1. 芯片设计：芯片设计是行业的顶端，包含电路设计、版图设计和光罩制作。设计方面的主要环节是电路设计，需要考虑多方面因素以及涉及多元知识结构。版图设计和光罩可以借助计算机程序；2. 晶元生产：包括了晶元片生产环节、光罩光刻环节，晶元处理和测试。其中光罩刻蚀环节最复杂，刻蚀要求越来越高。高纯度硅晶片的提纯和切割同样依赖于工艺技术。目前芯片的主要成本在晶圆生产环节；3. 芯片封装：芯片封装是对生产完毕的 IC晶圆片进行切割和接线焊接以及装测，处于行业下游，整体工艺和技术不断发展；4. 芯片测试：是对成品芯片进行检测，属于质量控制环节。6图 8 芯片制造工艺流程图 7 芯片晶体管与导线横切面芯片设计晶元生产芯片封装芯片测试产业分析 | 芯片组成（ 2/2）2019 Celestial Research 华辰产业研究院资料来源： wind、华辰资本整理7图 9 芯片的产业链条产业链构成1. 产业链类别：根据芯片的制造流程，分为主产业链和支撑产业链。主产业链分为设计、制造和封测。支撑产业链包括 IP、 EDA、材料和设备。2. 设计端：主要是进行集成电路设计， IC设计是整个产业链高端的部分，主要由于芯片核心的底层架构（知识产权和技术壁垒）被掌握在少数厂商手中，专利费可能达到设计成本的 50%以上。代表企业有：博通、高通、英伟达和海思。3. 制造端：主要是晶元的生产与制造，核心在于晶圆片的生产。目前芯片体积越来越小，晶圆片工艺制程要求越来越高。制造环节占据芯片成本的 40%以上，代表企业有台积电等。4. 封测端：对芯片进行封装和检测。最终达到芯片应用层面。代表企业有日月光、长电科技等。5. 应用领域：包括人工智能，物联网， 5G通信和汽车电子。产业分析 | 产业链构成（ 1/2）2019 Celestial Research 华辰产业研究院 8资料来源： wind，华辰资本整理图 10 IC产业全景图产业分析 | 产业链构成（ 2/2）2019 Celestial Research 华辰产业研究院 9发展模式：产业链转移趋势带动产业模式更迭整个半导体行业经历了两次空间上产业转移，即将进入第三次产业转移。1. 垂直整合模式：起源美国。 1950S,企业内设有半导体产业所有的制造部门，仅用于满足企业自身产品的需求。2. IDM模式：美国日本，家电产业引领。 1970s，美国将装配产业转移到日本，半导体产业转变为 IDM模式。该模式下产品主要满足其他厂家需求。随着家电产业与半导体产业相互促进发展，日本孵化了索尼、东芝等厂商。我国大部分分立器件生产企业也采用该类模式。3. 代工模式：美日韩国台湾地区， PC产业引领。 1990s，随着 PC兴起，存储产业从美国转向日本后又开始转向了韩国，孕育出三星、海力士等厂商。台湾积体电路公司成立后，开启了设计（ Fabless）制造（ Foundry）封测（ OSAT）三大环节，解决了要想设计芯片必须巨额投资晶圆制造产线的问题，拉开了垂直代工的序幕。4. 全球中国大陆，智能手机产业引领。 2010s，随着大陆智能手机品牌全球市场份额持续提升，催生了对半导体的强劲需求，加之国家对半导体行业的大力支持以及人才、技术、资本的产业环境不断成熟，全球半导体产业酝酿第三次产业转移，即向大陆转移趋势逐渐显现。图 11 产业链转移历史沿革资料来源：光大证券、华辰资本整理产业分析 | 发展模式（ 1/2）2019 Celestial Research 华辰产业研究院 10资料来源：光大证券、中信证券、华辰资本整理IDM模式国家/地区 IC设计国家/地区晶元代工国家/地区封装测试国家/地区高端设备国家/地区英特尔美国高通美国台积电台湾日月光台湾 AppliedMaterials 美国三星韩国博通美国格芯美国安索美国 ASML 荷兰SK海力士韩国联发科台湾联电台湾长电科技中国 LamResearch 美国美光美国英伟达美国中芯国际中国力威科技台湾东京电子日本德州仪器美国 AMD 美国力晶台湾华天科技台湾 KLA-Tencor 美国恩智浦 &飞思卡尔欧洲海思中国 Tower Jazz 以色列通富微电中国迪恩士台湾东芝日本苹果美国先进台湾京元电子台湾日立高新日本表 1 IC产业链企业1. 模式发展：a. IDM模式（ Integrated Device Manufacture，集成器件制造）：综合商集中在美国、日本和韩国，其中以英特尔和三星规模最大；b. 垂直分工模式模式：半导体设计公司（ Fabless ） +晶元厂代工（ Foundry ） +封测厂专业封装（ Out Sourced Assembly and Test，简称 OSAT ） ,代表是台积电。c. 芯片开发成本增加下，向 Fab-lite（部分 IDM+部分委外）、 Fabless模式转移。独立 IP核商出现，如 ARM。2. 产业分工：a. IC设计：主要集中在美国，其中以博通和高通占据领先地位；中国有华为的海思半导体；b. 晶元代工：主要在中国台湾地区，以台积电为代表，中国有中芯国际；c. OSAT封装测试：方面处于行业的下游，封测主要在台湾以及中国。以台湾日月光和中国的长电科技为代表；d. 高端装备：方面依然掌握在美日欧手中，以美国材料应用公司，荷兰的 ASML(奥斯迈 )以及日本东京电子为代表。高端装备方面，国内同样也是落后。图 12 IC产业模式发展产业分析 | 发展模式（ 2/2）