半導體芯片設計-晶圓代工-封測三部曲產業鏈
半導體芯片設計-晶圓代工-封測三部曲產業鏈
來源：ittbank
一、芯片設計
集成電路是電子信息產業的基石，而IC設計作為集成電路產業鏈上游，是最具發展活力和創新的重要環節，具有高投入、高風險、高產出的特點。
近年來中國芯片設計產業在提升自給率、政策支持、規格升級與創新應用等要素的驅動下，保持了高速成長的趨勢。根據SEMI數據，我國芯片設計行業保持了較快的增長態勢，2020年我國芯片設計行業銷售額首次突破500億美元，全行業設計企業數量為2218家，同比增長24.6%。
資料來源：SEMI根據芯片的制造流程，分為主產業鏈和支撐產業鏈。主產業鏈分為設計、制造和封測。其中，芯片設計是關鍵，芯片制造最難突破，芯片封測國內已經發展到全球先進水平。支撐產業鏈包括IP、EDA、材料和設備。
1.芯片設計 - 芯片制造主產業鏈關鍵環節
芯片設計在集成電路產業鏈的上游頂端，行業公司具有較大的價值量，行業整體呈現出“小而美”的特征，是半導體產業鏈中賺錢的環節。整體毛利率都在30%以上，都屬于輕資產模式，固定資產周轉率及ROE水平處于相對較高位置。其包含電路設計、版圖設計和光罩制作。設計方面的主要環節是電路設計，需要考慮多方面因素以及涉及多元知識結構。版圖設計和光罩制作可以借助計算機程序。芯片設計主要由于芯片核心的底層架構（知識產權和技術壁壘）被掌握在少數廠商手中，專利費可能達到設計成本的50%以上。
2.芯片設計流程
芯片設計流程主要可分為前端設計（Front end）與后端設計（Backend），其中前端設計（也稱為邏輯設計）主要涉及芯片的功能設計，后端設計（也稱為物理設計）主要涉及工藝有關的設計，使其成為具備制造意義的芯片。
芯片設計和生產流程圖:
細分來看，設計從功能到布線基本分為五個步驟，在設計過程中涉及芯片硬件設計和軟件協同。芯片設計流程包含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。
芯片設計運作模式
上世紀80年代，電子行業出現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，半導體行業只有IDM一種模式。IDM模式的優勢在于資源的內部整合優勢，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計、制造和封裝三大環節，英特爾、三星和德州儀器是全球最具代表性的IDM企業。Fabless即無晶圓制造的設計公司，是指專注于芯片設計業務，只負責芯片的電路設計與銷售，將生產、測試、封裝等環節外包的設計企業，代表企業有高通、博通、英偉達、AMD等。
Foundry即晶圓代工廠，指只負責制造、封測的一個或多個環節，不負責芯片設計，可以同時為多家設計公司提供服務的企業，代表企業有臺積電、中芯國際、格羅方德等。設計與制造的分工逐漸盛行，自身沒有工廠的Fabless設計公司和專門提供半導體生產服務的代工企業分工合作的生產方式慢慢地發展了起來。這種分工的好處是使得設計公司可以避免大規模的工廠投資，將更多精力聚焦在芯片設計方面，而代工企業憑借規模優勢，在生產方面降低成本。日本的半導體企業則沒有采用這種設計和制造分工的方式，仍然堅持垂直一體化的生產方式。這樣做的結果是當銷售額減少的時候，由于前期的巨額投資，折舊費用依然龐大，導致企業利潤承壓，對后續的生產經營造成影響。
3.芯片設計競爭格局
IC設計行業中少數巨頭企業占據了主導地位，其中美國IC設計行業處于領先地位。根據分析機構ICinsights發布全球前15大半導體公司在2021年第一季度的表現狀況顯示，前15大半導體企業中，營收增長最高的四位AMD（93%）、聯發科（90%）、高通（55%）、英偉達（51%）都是無晶圓IC設計廠商，第一季度營收年增長都超過了50%。國內半導體產業鏈上游芯片設計環節公司主要涉及的領域包括存儲芯片、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域。國內芯片設計總體來說體量尚小，芯片設計企業與全球主要對標企業的營收差距較大，大部分企業不到對標企業營收規模5%。相比之下，國外細分領域的芯片設計龍頭公司收入基本都在上百億美金的水平。相關企業主要有華為的海思半導體、紫光展銳、北京豪威、中興微電子、華大半導體、匯頂科技、格科微、卓勝微、瑞芯微和兆易創新等。通過產業鏈上下游配合，國內芯片設計領域的細分龍頭已經開始逐漸能夠滿足國內客戶的部分替代性供應，這將給這些細分龍頭帶來較好的成長機遇和較大的市場空間。
二、半導體晶圓代工
自2020年下半年以來，晶圓代工產能持續緊張，在驅動IC和功率器件等需求刺激下，主要晶圓代工產能利用率均超過95%，維持較高位置。
一方面是因為行業一直處于供不應求的狀態，而且已經持續了約一年時間。另一方面，華為禁令效應也在客觀上起到了促進作用。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50%。即便是所有晶圓代工廠的產線都處于滿載狀態，也加大了付運晶圓的數量，當下的產能緊缺情況依舊難以緩解，而其中8英寸晶圓代工廠產能最為緊張。晶圓制造是半導體產業最關鍵、市場份額最大的核心環節。
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制到晶圓上，并在晶圓上大批量形成特定集成電路結構的過程，其技術含量高、工藝復雜，在芯片生產過程中處于至關重要的地位。20世紀60年代中后期，隨著產業規模的擴大和工業技術的提升，專業化分工的優勢逐步顯現，于是集成電路制造設備業、材料業逐漸從IDM分離，作為輔助支撐行業發展起來。20世紀80年代，隨著制造工藝水平的提高，集成電路的產線建設、工藝研發及人才和資本需求不斷增加，多數IDM不愿或無力承擔巨額投入所帶來的風險，于是只專注于集成電路芯片制造的企業興起。隨著先進光刻技術、3D封裝技術等不斷涌現，各種先進工藝不斷改進和完善，集成電路已由本世紀初的0.35微米的CMOS工藝發展至納米級FinFET工藝，同時，作為集成電路的襯底，晶圓的直徑已經由最初的6英寸、8英寸增長到現在的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或差異化技術的產品，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、汽車等領域。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域應用較多。
1.晶圓代工市場高速增長
集成電路產業鏈的專業化分工趨勢使得純晶圓代工市場規模逐年擴大，全球晶圓制造市場快速增長。據公開數據顯示，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Trendforce的預測，在芯片市場景氣周期的背景下，2021年全球芯片代工產業市場規模有望達到945億美金，同比增長11%。
2.晶圓代工市場格局：一超三強
晶圓代工是典型的寡頭壟斷型行業，技術、人才、資本缺一不可。且代工技術迭代快，馬太效應明顯。從市場格局來看，2020年全球市場前五的晶圓代工市占率達90%，臺積電以56%的市場占有率處于絕對領先的地位，三星和聯電分列第二、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中，最先進制程已從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將持續采用FinFET結構，計劃于2022年下半年在晶圓18廠量產，“將成為世界上最先進的技術”。2020年臺積電資本開支為186億美金，2021年可達到300億美金，預計3年內總投資將達1000億美元。SEMI的數據顯示，2017-2020年間全球投產的半導體晶圓廠為62座，其中有26座設于中國大陸，占全球總數的42%。并預計從2020年到2024年至少新增38個12英寸晶圓廠。
全球晶圓廠持續擴產：
資料來源：平安證券國內12英寸晶圓制造廠產品主要包括兩大方向，一方面為主攻先進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英寸晶圓廠月產能約18萬片，12英寸晶圓月產能約4萬片，位于上海和無錫。同時華潤微電子、上海先進（積塔半導體）、士蘭微等公司擁有8英寸晶圓廠，武漢新芯和粵芯半導體等公司只有12英寸晶圓廠。領先廠商通過提前量產獲取訂單，分攤工廠折舊，進而繼續研發下一代工藝，使得后進廠商在先進制程工藝上的投資低于預期回報而放棄競爭，以此擴大市場份額、形成壁壘。
3.全球晶圓廠巨頭積極布局先進制程
目前領先工藝（5nm+7nm）占據25%左右的市場份額，主要用于CPU、GPU等超大規模邏輯集成電路的制造。3nm技術有望在2022年前后進入市場。全球前十大晶圓代工廠商均在積極布局先進制程。當前5nm及更先進制程僅有臺積電和三星兩個頭部玩家，格羅方德和聯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，專注于現有成熟制程，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度也趨緩。中芯國際因此在先進制程方面競爭對手減少，資本開支方面從2017年開始也超越了聯電，中芯國際正加速追趕頭部玩家。為建設5nm產線，2020年臺積電計劃全年資本性支出高達184億美元。先進制程不僅需要巨額的建設成本，而且也提高了設計企業的門檻，根據IBS的預測，3nm設計成本將會高達5-15億美元。
各公司未來技術節點的預測:
國外瓦納森協議以及對于華為的制裁體現了在國內形成自主可控的半導體產業鏈的重要性，半導體制造是產業鏈中最關鍵的一環，未來芯片代工領域馬太效應會愈加明顯。隨著臺積電等晶圓廠龍頭開啟新一輪擴產周期、技術升級、晶圓產能向大陸轉移以及國內政策的大力支持，產業鏈有望迎來新一輪景氣周期。
三、半導體封測
封測行業位于集成電路產業鏈末端，是勞動密集型行業。作為我國半導體領域優勢最為突出的子行業，在當前國產半導體產業鏈中，國產化程度最高、行業發展最為成熟。
相對半導體設計、制造領域來說，技術壁壘、對人才的要求相對較低，是國內半導體產業鏈與國外差距最小環節。
目前國內封測市場在全球占比達 70%，行業的規模優勢明顯，更多是通過資源整合和規模擴張來推動市占率的提升。隨著上游的芯片設計公司選擇將訂單回流到國內，大批新建晶圓廠產能的釋放以及國內主流代工廠產能利用率的提升，晶圓廠的產能擴張也勢必蔓延至中下游封裝廠商，將帶來更多的半導體封測新增需求。
▌封裝測試產業鏈
封裝測試位于半導體產業鏈的中下游，包括封裝和測試兩個環節。根據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行劃片、貼片、鍵合、電鍍等一系列工藝，以保護晶圓上的芯片免受物理、化學等環境因素造成的損傷，增強芯片的散熱性能，以及將芯片的I/O端口引出的半導體產業環節。
封裝本質上是集成電路產業鏈中賺錢最難的行業，需要通過不斷加大投資來賺取每一塊錢上的邊際增量，技術門檻低，規模效應使得龍頭增速快于小企業。當前封裝仍然是一個處于不斷增長中的增量市場，先進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封裝技術成為延續摩爾定律的途徑之一，由此帶動封裝在電子系統內的功能定位逐步升級。測試是保障成品質量穩定、控制系統損失的關鍵工藝。
測試主要是對芯片、電路等半導體產品的功能和性能進行驗證的步驟，其目的在于將有結構缺陷以及功能、性能不符合要求的半導體產品篩選出來，以確保交付產品的正常應用。集成電路封裝技術的演進主要為了符合終端系統產品的需求，為配合系統產品多任務、小體積的發展趨勢，集成電路封裝技術的演進方向即為高密度、高腳位、薄型化、小型化。
封裝技術演進圖：
技術上的局限本質上決定了封測企業的R&D不高同時，封測企業技術可以通過IDM授權獲得因此相對來說封測R&D占比不高也會決定進入壁壘不高但國內企業的R&D占比顯著高于海外，tier1還是占據規模優勢。
▌封測行業競爭格局解讀
封測企業率先躋身全球集成電路產業鏈分工，充分享受全球半導體行業增長帶來的行業紅利。全球集成電路企業主要分為兩類，一種是涵蓋集成電路設計、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、海力士等獨立專業化的公司。另外一種則是將IDM公司進行拆分形成獨立的公司，可以分為IC設計公司、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。
全球封測行業歷年競爭格局變化：
中國封裝業起步早、發展快，但目前仍以傳統封裝為主。雖然近年中國本土先進封測四強（長電 、通富 、華天 、晶方 ）通過自主研發和兼并收購，已基本形成先進封裝的產業化能力。根據TrendForce數據，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積累和產品解決方案，包括有自主知識產權的Fan-outeWLB、WLCSP、Bump、PoP、fcBGA、SiP、PA封裝等領先技術。業務覆蓋國際、國內眾多高端客戶，全球前二十大半導體公司中有85%為公司客戶。華天科技正在逐漸形成天水，西安，昆山三線發展的格局。三地定位不同，也沒有重復的客戶，針對不同客戶需求，發展各自的拳頭產品，形成協同效應。西安的QFN和BGA產線處于鼎盛時期，而昆山是公司發展的重點，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、馬來西亞檳城六地擁有包括Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先進封裝技術。
根據公司2020年中報，通富已與國內包括中興微電子、聯發科、展銳、匯頂科技、卓勝微、兆易創新、博通集成、韋爾科技等半導體知名企業順利推進新品研發，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。近幾年的并購經歷讓中國封測企業快速發展，得到了技術和市場，但由于中美貿易戰的影響以及可選并購標的減少，中國封測行業未來的發展方向將是：自主研發+國內整合。
封測行業毛利率均值20%，對比代工業，方差波動小，技術的演進無法顯著提升毛利水平。封測業更多通過規模和資源的推動市占率提升，技術不是絕對壁壘，后來者有機會分享蛋糕。
隨著先進節點走向10nm、7nm、5nm，研發生產成本持續走高，良率下降，摩爾定律趨緩，半導體行業逐漸步入后摩爾時代。目前封測行業正在經歷從傳統封裝（SOT、QFN、BGA等）向先進封裝（FC、FIWLP、FOWLP、TSV等）的轉型。先進封裝技術不僅可以增加功能、提升產品價值，還有效降低成本，成為延續摩爾定律的關鍵。作為集成電路產業鏈不可缺少的一部分，半導體封測得益于對更高集成度的需求，隨著5G應用、AI、IoT等新興領域的驅動，市場規模快速擴大，我國封測行業仍然有望保持高增長。
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