2、半导体制造:经济转型之引擎,新基建之支柱

整个集成电路产业链大致可分为三个环节:设计、制造和封装测试。设计环节主要是对下游具体领域需求提供解决方案,随着5G、AIOT时代到来,将会衍生出更多新兴应用。制造和封测环节是将解决方案具体落实成实物芯片的基础,也是支撑整个电子计算机行业大生态的底部核心支柱。

2．1 代工篇:成熟工艺需求旺盛,先进制程打开国产代工上升空间

2．1．1新兴应用驱动下,半导体将迈入新一轮高景气成长周期

半导体行业存在周期性,主要受两个因素影响,宏观经济和技术革新。1)宏观经济变化影响人们消费能力和意愿,通过下游市场需求影响整个行业景气度;2)技术革新通过刺激下游消费意愿甚至强制改变市场格局。

代工企业和行业发展联系紧密,将充分享受新兴市场初期高速增长红利。以2020年为锚,5G商用化、数据中心、物联网、智慧城市、汽车电子等一系列新技术及市场需求做驱动,半导体将迈入新一轮高景气成长周期。

晶圆代工行业竞争激烈,且马太效应明显。世界排名前十的厂商占据了九成以上的市场份额,目前世界知名代工企业有台积电、三星、联华电子、格罗方德、中芯国际、华虹半导体等。

2020年疫情导致众多产业受到冲击,然受惠于远距办公与教学的新生活常态,加上5G智能手机渗透率提升,以及相关基础建设需求强劲的带动,使全球半导体产业逆势上扬,预估2020年全球晶圆代工产值达726亿美元,增速18．77%。

经统计部分晶圆代工厂产能和产能利用率情况,从2019年Q1开始产能利用率触底反弹,整体保持在90%以上高位,各企业在积极推进扩产计划。从接单状况来看,半导体代工产能吃紧趋势预计至少延续到2021H1,14nm以下先进制程方面,台积电与三星现阶段产能近乎满载,28nm以上制程在CIS、SDDI、RF射频、TV芯片、WiFi、蓝芽、TWS等众多需求支撑,加上WiFi 6、AI Memory异质整合等新兴应用助力,产能亦有日益紧缺的趋势。

2．1．2先进制程拓宽国产代工能力,未来有望承接更多国内客户需求

经过长期的工艺竞技,先进制程向龙头集中。具有14nm及以下节点量产能力的玩家目前只剩下台积电、三星、英特尔、格罗方德、联华电子和中芯国际。由于先进制程研发的高投入,格罗方德、联华电子均已宣布停止14nm以后先进制程的研发,目前仅余中芯国际一家先进制程追赶者。

中芯国际代表大陆代工技术最高水平,对比国际龙头台积电尚存巨大差距。中芯国际是国内首家提供28nm Poly-SiON和HKMG先进制程的晶圆代工企业,28nm HKC+已于2018年下半年正式量产,14nmFinFET于2019年第三季度实现量产且良率达到业界量产水平,第二代先进工艺技术“N+1”正在做客户产品验证,已进行小量试产。而台积电5nm制程在20Q3开始贡献营收,计划到2022年实现3nm量产,整体领先中芯国际3代制程工艺节点。

先进工艺市场规模增长迅速,有望成为公司未来业绩增长点。据IHS Markit预测,未来成熟工艺市场规模保持在400亿美元左右,而先进工艺市场规模预计以16．5%的年复合增速增长,产值占比2025年有望提升至50%以上。

先进制程的突破且良率达到业内量产水平,意味着国产晶圆代工业务渠道口径拓宽,以及具备承接更多高端芯片设计订单的能力。目前中芯国际14nm应用主要是智能手机AP/SoC、安防、机顶盒和矿机ASIC方面,未来会向高性能运算、汽车电子、物联网、显卡等领域拓展。

2．1．3万物互联时代到来,特色工艺有望迎来新增长

不是所有产品都需要先进制程,成熟制程下游市场相对稳定且盈利性更好。40-110nm对应的是CIS、图像传感器、NOR Flash、WiFi蓝牙射频芯片等;130-350nm主要对应的是eNVM、电源管理、中低端CIS、高压控制芯片。根据中芯国际季报数据,电源管理+特殊性存储+CIS合计市场规模约800亿美元,蓝牙市场规模约40亿美元,指纹识别和高压驱动芯片市场规模70亿美元。

40/45nm节点主要对应物联网相关产品,随着智能家居、智能支付终端、可穿戴设备等物联网领域的迅速发展,IoT无线通信芯片领域迎来良好的发展时期。55/65nm节点主要对应Nor Flash存储,随着AMOLED、TDDI、汽车电子、TWS耳机市场快速发展,NOR Flash需求旺盛。

2．2 设备篇:扩产与国产化趋势共振,设备企业迎来最佳成长期2．2．1设备行业周期受产能和技术迭代驱动,晶圆处理设备市场空间巨大

全球半导体设备总市值大概600亿美元,支撑全球上万亿的电子软硬件大生态。设备对整个半导体行业来说有放大和支撑作用,确立了整个产业可达到的硬性尺寸标准边际值。

半导体设备对行业周期变化敏感,行业周期性变化必然伴随产能的增减和产品技术的迭代。工艺变革对应设备技术的迭代,产能变化对应设备数量需求的变化,新一轮增长周期有望带动设备需求。

1)技术迭代:尺缩和3D结构化是先进集成电路发展的主要趋势,对应的是线宽和深宽比两个重要指标,为实现器件微观结构的加工制造,设备端需不断开发新技术以及改良已有技术。

2)产能变化:中国大陆地区晶圆制造产能增速最快,根据SEMI数据统计,2020年月产能达400万片,2021年将达460万片。以中芯国际、华虹半导体、长江存储和长鑫存储为首的晶圆制造企业产能正在有序建设中,未来两年进入新产线建设高峰,直接对应设备数量需求的大幅度增长。除中国大陆地区,其他地区晶圆制造厂应对新兴需求和升级也在扩产,整体半导体设备需求量趋势向上。

晶圆处理领域需求约占设备总市场80%,折合市场空间达500亿美元,封装和测试类设备占15%,其余是厂务、光罩等设备。晶圆制造过程中,从前道到后道会经过上千道加工工序,涉及到的设备种类主要分9类,细分又可以划出100-120种不同的机台,具体种类上电路和存储制造约有40%的差异。

2．2．2国产半导体设备大环境向好,处于“0-1”向“1-n”阶段过渡期

1)供给端

全球半导体设备供应链被海外龙头把控,美国占40%,日本占10%,欧洲占20%。海外设备供应商业务成熟且市场地位稳定,商业模式多是在细分领域处于寡头垄断地位,同时还布局多个业务实行平台化展开。

根据SEMI统计,预计2020年中国半导体设备市场为149．2亿美元,同比增长16%,自给率上升至23%,尚有巨大替换空间。2019年国产半导体设备为173亿元,集成电路和光伏细分领域增长较快,2019年国产集成电路设备为67亿元。集成电路设备作为占比最大的细分市场,国产化率很低,重度依赖进口为我国依靠半导体产业作为产业升级的新引擎埋下隐患。华为制裁升级已经初窥端倪,国产半导体设备实现国产替代势在必行。

通过外延并购和自主研发,目前我国自研装备品种覆盖率达40%,总体水平达到28nm,部分进入14/7nm,开始进入海内外市场销售。9大类半导体设备国内企业均有布局,细分领域存在1-2个龙头公司。

国家大力支持半导体产业发展,在政策、资金、人才都实施相应鼓励方案,外围生态环境大幅度改善,同时国产设备龙头公司也逐步从初期核心技术突破到经验积累与技术升级的拐点。改善1:逐渐从早期最艰难的核心技术突破“0-1”阶段向盈利逐渐改善的“1-n”阶段转换。改善2:早期晶圆制造厂商不愿承担更大风险去引入不成熟的国产供应商进入产线,下游设备厂商开发进度缓慢、缺少量产数据反馈等问题。目前国内晶圆厂和设备公司积极合作,形成缩短技术开发周期、减轻研发支出压力等双向互利良性格局。

2)需求端

国产半导体设备需求主要受三个因素影响:1)中国大陆建厂扩产洪峰期已至;2)美国制裁政策催化下国内制造企业基于安全考虑加快国产替代速度;3)国产半导体设备企业产品已逐步获得客户认知,部分龙头技术以追赶上国际主流水平。

根据不完全统计,国内在建的集成电路、功率器件和先进封装产线有14条,规划中的产线有13条。在短期,国内供应商将受益于产线建设潮,而在长期,将受益于技术进步和自身产品竞争力的提高。

2．3 材料篇:中国大陆产能逐步释放,半导体材料预计进入长期上行空间2．3．1半导体材料主要受晶圆制造产能和行业景气度变化影响

根据SEMI统计,2019年全球半导体材料市场销售额为521．4亿美元,较上一年下降1．1%。中国大陆是全球第三大市场且长期保持上升趋势,2019年销售额同比增长1．9%,全球占比进一步提升至16．7%。2010-2019年,中国台湾地区和韩国销售额受周期影响波动较大,北美和欧洲市场增长缓慢,日本处于负增长状态,只有中国大陆地区呈现快速增长的状态,在2016-2018年增速超过10%。

半导体材料市场主要受晶圆制造产能和行业景气度影响,产能决定了材料市场空间,景气度决定了产能利用率进而影响材料需求。根据IC Insights统计,2020年全球半导体晶圆年产能预计达到2．49亿片8英寸等效晶圆,未来2-3年中国大陆和台湾地区进入扩产高峰期,2024年全球产能有望突破3亿片。产能扩建扩大材料市场空间,且5G、AIOT、汽车电子等新兴应用有望带来新一轮高景气周期,鉴于产能释放主要在大陆和台湾地区,国产半导体材料供应商有望享受长期增长红利。

2．3．2晶圆制造材料细分领域低端已能自给,高端尚待突破

半导体材料处于整个半导体产业链上游环节,对半导体产业发展起到支撑作用。根据制造流程又可分为前道晶圆制造材料和后道封装材料,晶圆制造材料可分为硅片、光掩模、光刻胶及辅助材料、CMP抛光材料、工艺化学品、靶材和电子特气,封装材料可分为引线框架、基板、陶瓷封体、键合线、包封材料和芯片粘结材料。

据SEMI统计,2019年全球半导体材料市场销售额合计520亿美元,其中晶圆制造材料为328亿美元,封装材料为192亿美元。对比往期晶圆制造材料细分市场占比,各类材料占比保持相对稳定。根据SEMI统计,硅片、电子气体、光掩膜市场规模占比排名前三,占比分别为37%、13%、13%,对应细分市场空间为124亿美元、44亿美元、42亿美元。

细分领域中,海外企业占主导地位,大陆材料供应商在全球市场份额占比较少。目前国内供应商情况是通过内生+外延实现晶圆制造材料全产业链布局,但产品整体以中低端应用为主,少部分产品在高端领域实现国产替代。国产替代进程从易到难循序渐进,靶材、电子特气、湿法电子化学品等替代速度较快,光刻胶、12寸硅片相对滞后。

2．3．3半导体材料遵循长期增长逻辑,静待高端产品突破分享红利

半导体材料特点有产品种类多、认证周期长、客户粘性大、配方开发难度高但生命周期长。晶圆制造大概会涉及到600多步加工单元,使用材料种类多达10000种,在加工过程中,任何一类材料质量不合格所导致的化学或物理污染和缺陷都可能造成某一批次或多类产品良率降低,甚至直接报废,造成巨额损失。因此半导体材料供应商认证壁垒极高,且一旦确定通常不会轻易更换合作对象。

作为晶圆制造的日常耗材,大陆逐步承接半导体制造产能,国产材料市场需求扩容。5G、AIOT、汽车电子等多种新兴领域支撑行业景气度和长期市场需求,一旦国产材料公司产品达到认证标准,在国产替代趋势下有望享受长期增长红利。

2．4 封装测试篇:后摩尔时代,先进封装技术是未来主要发展方向2．4．1我国IC封测已处于世界先进,下一步是“量变”向“质变”转化

根据中国半导体行业协会统计,2019年中国半导体封装测试产值达2350亿元,同比+7%,占半导体行业销售总额31%。封装测试产值持续增长的同时占比逐渐下降,封测作为我国半导体产业最早重点发展的环节起到了产业带头作用,在技术和规模上已经达到世界前列,并且与制造、设计环节产值分配比逐渐趋于合理。

根据芯思想数据统计,2019年世界前十大半导体封测公司主要集中在中国台湾和大陆地区,合计占比达90%以上。日月光收购矽品后合计市占率达30．5%,大陆封测龙头企业长电科技、华天科技和通富微电总占比约20．1%。

国内传统封装种类与产能规模达到世界第一,高端技术覆盖率已达到90%。在国家资金、政策支持下,国内IC封测市场内资企业保持领先地位,前三内资龙头企业合计占比27．1%。大陆IC封测产能逐年增长,2019年达2375．6亿块,同比增长9．3%。2008年前国内封测技术还处于低端水平,随着技术逐步追赶,目前国内龙头企业先进封装技术已进入世界第一梯队,基本实现自主可控。

我国封测行业未来发展方向将由“量的增长”向“质的提升”转化。中国IC封测环节,经过几年的外延并购+内生自主创新结合,在传统封测领域已经企稳,在先进封装领域处于技术布局不断完善的阶段。后续随着国内代工企业成长以及5G+AIOT带来的多样化需求,国内封测企业在高级封测的技术经验积累会逐步完善。

封装测试作为芯片从设计->制造->投入市场前的最后一个环节,与半导体行业景气度相关性极高。2020年上半年景气度受疫情遏制,下半年中国作为全球率先恢复的地区,行业回暖并逐步修复疫情造成的影响。作为行业景气度变化先行指标,北美半导体设备出货额月度同比自年中开始大幅度上行,预期行业景气度明年大幅回暖,封测行业有望受益。

2．4．2后摩尔时代,先进封装是一种有效的低成本、提高性能可行方案

集成电路尺寸微缩趋势将持续到2030年后,但是物理极限接近导致技术难度和研发投入剧增,节点推进所带来的经济效益减弱。根据台积电披露,开发一款芯片的费用,7nm节点需要2．97亿美元, 5nm节点需要5．4亿美元,3nm工艺预期高达10亿美元。高投入和深壁垒限制了工艺制程的推进速度和性价比,未来主要有四种技术优化方向。

结构3D化,将晶体管结构从平面向三维转化,也是目前晶圆代工及制造企业重点开发的技术。

采用新架构,优化指令集,增大L2和L3的缓存,优化向量处理器等,提升芯片的性能。

开发新的软件应用生态结构,使用先进的机器学习、数据分析以及VR与AR渲染帮助程序更易于使用。

先进封装技术,使用更多的前道工艺技术,而成本投入远小于先进制程的花费。

传统封测技术壁垒低、同业竞争激烈,利润提高空间非常小,未来附加值更高的先进封装将是企业的业绩增长动力。先进封装技术的引入是前道和后道环节的界定逐渐模糊,先进封装涉及前道晶圆制造所用技术与设备,资本支出类似于“晶圆制造”,涉及加工有晶圆研磨薄化、重布线、凸块制作(Bumping)及 3D-TSV 等制程,需要用到刻蚀、沉积等设备。根据Yole统计,2019年全球先进封装晶圆数量约2900万片,预计2025年达到4300万片,整体年复合增速为7%,个别细分如3D堆积增速高达25%。

先进封装技术具有极高的发展潜力,纯封装测试企业、代工厂以及IDM等纷纷加码先进封装技术的研发和应用。先进封装技术是目前除推进前道晶圆制造技术外高性价比、高可行性的发展方向,随着各领域龙头的加入,先进封装技术是未来行业发展主流趋势。