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nba直播信息技术:2020年半导体硅片行业研究度报告

发布时间 2020-12-24 21:15

  硅元素是半导体材料中应用最广泛的元素,具有 4 个价电子,与其他元素一起位于周期 表中的 IVA 族。常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体及砷化镓(GaAs)、 氮化镓(GaN)等化合物半导体。若在单晶硅中掺入某些 3 或 5 价的元素,分子结构将 发生很大改变,其导电能力将得到很大的提高,但与金属等导体的导电能力比还是较低, 因此称为半导体。根据掺杂元素的不同,可以制造出 N 型和 P 型半导体,它们都是制 造电子元件的主要材料。

  集成电路的主要工序为 IC 设计、晶圆制造、封装和测试。IC 设计公司根据下游用户(系 统厂商)的需求设计芯片,然后交给晶圆代工厂进行制造,其主要任务就是把 IC 设计 公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的半导体硅片上。完成后的晶圆再送 往下游的 IC 封测厂,由封装测试厂进行封装测试,最后将性能良好的 IC 产品/芯片出售 给系统厂商。

  半导体硅片参与了从制造到封测的所有流程,是集成电路制造中最为基础的原材料。集 成电路的上游包括原材料和在各生产环节的主要生产设备。原材料包括晶圆制造材料和封装材料。晶圆制造材料包括半导体硅片、光罩、高纯化学试剂、特种气体、光刻胶、 靶材、CMP 抛光材料等。封装材料包括引线框架、封装基板、陶瓷封装材料、键合丝、 包装材料、芯片粘结材料等。其中半导体硅片是参与度最高的基础原材料,晶圆制造所 有流程均在半导体硅片的基础上进行。

  12 英寸硅片是目前半导体硅片市场中占比最高的产品。半导体硅片尺寸(以直径计算) 主要有 50mm(2 英寸)、75mm(3 英寸)、100mm(4 英寸)、150mm(6 英寸)、200mm (8 英寸)与 300mm(12 英寸)等规格。在摩尔定律的影响下,半导体硅片从 70 年 代起不断向大尺寸的方向发展。根据 SEMI 的统计数据,2018 年,12 英寸硅片和 8 英 寸硅片市场份额分别为 63.8%和 26.1%,合计占比接近 90%。由于移动通信、计算机 等终端市场持续快速发展,12 英寸半导体硅片成为半导体硅片市场中最主流的产品。

  增大半导体硅片尺寸可提高芯片良品率、提高生产效率以及降低单位生产成本。大尺寸 半导体硅片的良品率更高。据测算,12 英寸半导体硅片较 8 英寸半导体硅片,表面积 增加了 392.7cm2,而较大尺寸的半导体硅片可拥有更多数量和更大比例的完整芯片(边 缘地带被浪费的区域比例更低),因此将拥有更高的良品率。单位面积的更大尺寸半导 体硅片可生产更多芯片,从而提高生产效率。以边长大小 500mil(1mil=1/1000inch) 的芯片为例,12 英寸半导体硅片可生产 410 片芯片,而 8 英寸半导体硅片仅能生产 191 片。此外,大硅片的成本优势还源于对于其他半导体材料的节约。半导体材料中的很多 材料如光刻胶、湿电子化学品等都属于消耗品,使用次数有一定限制。提高在单次制造 过程中可生产的芯片数量,可以降低材料总成本,从而降低单位生产成本。

  未来几年,12 英寸仍将是半导体硅片的主流品种,18 英寸硅片因技术研发困难及设备 制造成本高昂等因素尚未进入量产阶段。18 英寸是继 12 英寸之后的下一代半导体硅片 设计尺寸,但由于 12 英寸硅片可满足当前生产需求,18 英寸硅片设备研发难度极大, 导致各大厂商担忧投资回报不足。尽管生产效率可能会有一定程度的提高,但是当前使 用 18 英寸硅片不具备成本优势。据 SEMI 估算,一个 18 英寸晶圆厂的耗资远超出 12 英寸晶圆厂的投入成本,但只能使芯片单位面积价格下降 8%,因此晶圆厂向 18 英寸 转移的速度较缓。

  根据制造工艺分类,半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以 SOI 硅片为代表的高 端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片;抛光片经过外延生长 形成外延片;抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成 SOI 硅片。除以上三 种主流硅片外,半导体硅片还包括退火片、扩散片、结隔离片等不同种类。

  抛光片:该种硅片是基础的半导体硅片,也是外延片、SOI 硅片的衬底材料。硅片表面 颗粒度和洁净度对半导体产品的良品率有直接影响。抛光工艺可去除加工表面残留的损 伤层,实现半导体硅片表面平坦化,并进一步减小硅片的表面粗糙度,以满足芯片制造 工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。抛光片可直接用于制作半导体器件,广泛应用 于存储芯片与功率器件等半导体器件,也可作为外延片、SOI 硅片的衬底材料。

  外延片:该种硅片提升了器件的可靠性,并减少了器件的能耗,因此在工业电子、汽车 电子等领域广泛使用。外延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层,掺 杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层。外延技术可以减 少半导体硅片中因单晶生长产生的缺陷,具有更低的缺陷密度和氧含量。外延片常在 CMOS 电路中使用,如通用处理器芯片、图形处理器芯片等,由于外延片相较于抛光片 含氧量、含碳量、缺陷密度更低,因此提高了栅氧化层的完整性,改善了沟道中的漏电 现象,从而提升了集成电路的可靠性。除此之外,低电阻率的硅衬底上通常可外延生长 一层高电阻率的外延层,应用于二极管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等功率器件。

  SOI 硅片:SOI 即绝缘体上硅,是较为先进的硅基材料之一,其核心特征是在顶层硅和 支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。SOI 硅片的优势在于可以通过绝缘埋层实现 全介质隔离,这将大幅减少半导体硅片的寄生电容以及漏电现象,并消除了闩锁效应。SOI 硅片具有寄生电容小、短沟道效应小、低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简 单、抗宇宙射线粒子的能力强等优点。因此,SOI 硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣 环境、低功耗、集成度高的芯片上,如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以 及星载芯片等。

  直拉法:此技术是生长单晶硅的主流技术,成本较低,普遍用于制作大尺寸硅片。直拉法(Czochralski Method,简称 CZ 法)是 1918 年由切克劳斯基从熔融金属 中拉制细灯丝,并在 50 年代建立起来的一种晶体生长方法,目前只有该方法能做 出大于 8 英寸的晶圆。直拉法的步骤是把原料多晶硅块放入石英坩埚中,在单晶 炉中加热融化,再将一根直径只有 10mm 的棒状晶种(籽晶)浸入融液中。在适 合的温度下,融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶,成为单晶体。直拉法可用于制造 8、12 英寸半导体抛光片、外延片、 SOI 等各种半导体硅片,主要应用在低功率的集成电路元件。

  区熔法:该法可生产目前纯度最高的硅单晶,但成本也较高,普遍用于生产小尺 寸硅片。区熔法(Floating Zone Method,简称 FZ 法)是利用热能在棒料的一端 产生熔区,再熔接单晶籽晶的一种方法。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移 动,通过整根棒料,生长成一根单晶,晶向与籽晶的相同。区熔法不能像直拉法 那样生产大直径的单晶,并且晶体有较高的位错密度,在进入 21 世纪之前主要用 于生产 5 英寸的硅片。但是区熔法不需要像直拉法那样使用石英坩埚,所以可生 长出直拉法无法生产出的低含氧量高纯硅晶体,用于高功率的晶闸管和整流器等。

  半导体硅片是全球半导体材料中市场占比最高且最重要的原材料。根据 SEMI 统计, 2018 年全球半导体材料市场中,半导体硅片的销售额为 121.2 亿美元,占比 37.6%, 是所有半导体材料中占比最高的品类。根据中芯国际招股说明书披露,在 2019 年的原 材料采购中,半导体硅片成本占比高达 40.8%,远超其他原材料,是晶圆制造中最为重 要的一环。

  全球半导体市场整体呈现上行趋势。全球半导体销售额 2009 年至 2019 年年均复合增 速达到 6.0%,我国半导体销售额 2014 年至 2019 年年均复合增速达 9.5%。2019 年全 球及中国半导体市场销售额出现较大幅度下滑,主要是由于占半导体市场 26.7%的存储 器市场因供给过剩,价格下降,收入下滑 31.5%。其中 DRAM 在 2019 年因库存积压导 致价格走低,平均售价下降 47.4%,营收下降 37.5%。但截止至 2020 年 5 月,半导体 市场销售额同比 2019 年已有较大幅度修复。半导体市场虽然在 2019 年出现短暂萎缩, 但从长期来看,需求依旧强劲。受 5G、新能源汽车、物联网等新型产业的驱动,半导 体市场规模有望持续增长。

  全球半导体硅片的出货量与全球半导体出货量增速及全球 GDP 增速强相关。半导体硅 片行业具有产品标准化程度高,行业壁垒高,业内厂商少、单笔采购金额大的特点,因 此具有明显的周期性。由于半导体硅片是半导体产业中市场占比最大的材料,因此全球 半导体硅片出货量增速与全球半导体出货量增速走势基本一致。半导体硅片出货量与 GDP 走势也大致相似。2007 年,半导体硅片市场受到美国次贷危机波及,增速陷入短 暂停滞。但在 2009 年经济开始恢复之后,半导体硅片市场再次回归高速发展轨道。

  短期波动不改长期趋势,全球硅片需求整体向上。受 2020 年疫情影响,半导体硅片市 场预计在短期内会受到 GDP 下滑的波及,但由于下游 5G、新能源汽车等终端市场需求 持续增长,在长期内硅片市场需求依旧向上。

  我国半导体硅片市场增速高于全球平均水平。2014 年起,随着中国各半导体制造生产 线投产、中国半导体制造技术的不断进步与中国半导体终端产品市场的飞速发展,中国 大陆半导体硅片市场步入了飞跃式发展阶段。根据 SEMI 统计,2016 年至 2018 年,中 国大陆半导体硅片销售额从5.0亿美元上升至9.9亿美元,年均复合增长率高达40.9%, 远高于同期全球半导体硅片的年均复合增长率 25.7%。细分来看,在排除了疫情的影响 后,2020 年中国 8 英寸和 12 英寸硅片需求量预计增速较快。在未考虑疫情带来影响的 假设下,赛瑞研究预计 2020 年中国市场 8 英寸半导体硅片需求量为 307 万片/月,同比 增长 23%;12 英寸半导体硅片需求量为 312 万片/月,同比增长 8%。

  从半导体发展历史来看,全球半导体行业共经历了三次产能转移。半导体行业诞生于美 国硅谷,借助第二次世界大战的海量订单实现行业的腾飞。二战时期,政府的大量订单 为美国企业提供了近乎源源不断的资金来源,美国企业不断兼并上下游企业,形成了涵 盖研发设计、生产制造和封装测试的 IDM 模式。之后,随着日本、韩国、中国台湾、 中国大陆的经济快速发展,半导体产业逐步从美国转移出去。

  我国集成电路的自给率持续提高,从 2009 年 10.2%增长至 2019 年 15.6%。我国集成 电路的供给和需求总体呈现同步增长的态势,从 2009 年到 2019 年,需求规模从 410 亿美元增长至 1250 亿美元,年均复合增速为 11.8%,产出规模从 42 亿美元增长至 195 亿美元,年均复合增速为 16.6%,产出增长速度高于需求增长速度。根据 IC Insights 预计,2019-2024 年,需求年均复合增速约 11%,而产出年均复合增速将增长至约 17%, 我国集成电路自给率预计在 2024 年提高至约 21%。

  全球 12 英寸晶圆厂产能增长速度放缓。根据 IC Insights 统计,2018 年全球 12 英寸晶 圆厂数量为 112 家,预计 2019 年-2023 年增速从 8.0%下降至 2.2%。根据 IC Insights 统计,中国地区是唯一在 2019 年实现晶圆厂规模增长的地区,同比 2018 年增长约 6%。美国晶圆厂规模在 2019 年同比下降约 2%,亚太地区与 2018 年持平,欧洲地区下降约 11%,日本下降约 13%。nba直播中国市场增长是拉动 2019 年全球晶圆厂规模增长的主要动力

  在已有和新投产能中,以 12 英寸晶圆为主。国内芯片巨头中芯国际以及其子公司中芯 北方、中芯南方总计 12 英寸晶圆产能预计可达每月 9.6 万片。除中芯国际外,产能规 模最大的前三名厂商分别是 SK 海力士、华虹和三星电子。截至 2020 年 8 月,SK 海力 士总计 12 英寸晶圆产能可达 18.0 万片/月,华虹总计 12 英寸晶圆产能可达 11.8 万片/ 月,三星电子 12 英寸晶圆产能可达 10.0 万片/月。总的来看,当前我国境内晶圆工厂 (含海外公司在华建厂)12 英寸晶圆已投产能在 86 万片/月以上,在建产能达 26 万片 /月以上。

  半导体器件的不同制程水平决定了半导体硅片的需求结构。随着半导体器件制程水平的 提升,产品良率也会相应下降。使用更大尺寸硅片作为衬底的先进制程芯片,可获得更 低的单位成本以及稳定的产品出货量。因此,更先进、成熟的半导体器件主要采用 12 英寸硅片制造。12 英寸硅片涵盖从成熟到先进制程的半导体器件,主要应用于智能手 机及个人电脑的逻辑芯片、存储芯片和 CIS 图像传感器等;8 英寸硅片涵盖 90nm 至 0.5μm 制程的半导体器件,主要应用于物联网、汽车 MCU 芯片、射频芯片、基站通讯 设备 DSP 等;6 英寸以下硅片所应用产品的制程范围在 0.35μm-1.2μm 及以上,主要 应用于功率半导体、射频和 MEMS,其中以二极管、晶闸管功率器件为主。

  12 英寸半导体硅片市场占比最大,SOI 硅片市场销售额增速最快。根据 SEMI 的统计 数据,2018年12英寸半导体硅片占除了SOI硅片的半导体硅片市场出货面积的63.8%, 由于人工智能、区块链、云计算等新兴终端市场的蓬勃发展,2016-2018 年出货面积年 均复合增速为 8.4%;8 英寸半导体硅片出货面积占比 26.1%,受益于汽车电子、工业 电子、物联网等应用领域的强劲需求,2016-2018 年出货面积年均复合增速达 10.4%;2018年SOI硅片的市场销售额为7.2亿美元,受智能手机射频通讯需求拉动,2016-2018 年 SOI 硅片全球销售额年均复合增速达 27.5%,增幅较大。

  12 英寸半导体硅片出货面积增长较快,5G 智能手机更新换代有望拉动材料需求。自 2000 年全球第一条 12 英寸芯片制造生产线 英寸半导体硅片市场需求增 加,出货面积不断上升。2008 年,12 英寸半导体硅片出货量首次超过 8 英寸半导体硅 片;2009 年,12 英寸半导体硅片出货面积超过其他尺寸半导体硅片出货面积之和。2000 年至 2018 年,由于移动通信、计算机等终端市场持续快速发展,12 英寸半导体硅片出 货面积从 0.9 亿平方英寸扩大至 80.1 亿平方英寸,市场份额从 1.7%大幅提升至 2018 年的 63.8%,成为半导体硅片市场最主流的产品。

  5G 智能手机较 4G 手机性能更优越,所需的半导体器件性能要求也更高。5G 手机在内 部硬件配置和整体架构设计上,与传统 4G 手机有很大的不同。5G 手机无论是从芯片、 天线设计、存储空间及速度还是空间布局、相机素质等,都较 4G 手机具有明显提升。根据 Sumco 的统计数据,5G 手机 DRAM 与 NAND 的存储容量、摄像头数量、AP 核 数以及处理器芯片规格均高于 4G 手机,每台 5G 手机的半导体硅片用量为 2.2 平方英 寸,比 4G 手机半导体硅片单位用量多 0.9 平方英寸,是 4G 手机的 1.7 倍。

  随着 5G 通讯技术的不断成熟,新一轮智能手机更新换代即将到来,12 英寸半导体硅片 需求将受 5G 手机普及而迅速增长。根据 Gartner、IDC 和 Omdia 三家公司在 2019 年 四季度的测算,预计 2019 年全球 5G 手机的出货量 1135.2 万台,占全部智能手机出货 量 0.8%。而到 2023 年,全球 5G 手机的出货量预计可达 7.9 亿台,占全部智能手机出 货量 50.6%,2019 年到 2023 年,5G 手机出货量占比增加了 49.8%。从智能手机的 12 英寸硅片的需求结构来看,DRAM、NAND、逻辑芯片和 CIS 图像传感器是智能手机的 主要组成部分,未来将继续成为硅片需求增长的重要动力点。

  存储芯片:存储器及 12 英寸硅片的出货量有望跟随 5G 智能手机的日益普及而逐 渐增加。存储器是 12 英寸硅片占比最高的应用领域,占比约 54%。同时,智能手 机也是存储芯片最大的下游应用市场。5G 智能手机的存储芯片将拥有更快的读写速度和整体存储性能,以满足其更快的网络通讯能力和运算速度要求,存储器芯 片产能的快速增长将拉动对 12 英寸硅片需求。

  (1)DRAM 市场:根据 Sumco 的统计,2019 年手机通讯领域占 DRAM 下游市场约 39%,仅次于数据处理领域,为第二大市场。预计 2019 年到 2023 年全球 DRAM 市场 的年均复合增速有望达到 19.2%。2019 年智能手机领域占 NAND 下游市场 41%左右, 占比排行第一。

  (2)NAND 市场:近年来,3D NAND 存储器的产能快速增长,其主要原因是用于大 数据存储的固态硬盘 SSD(Solid State Disk)需求的增长以及智能手机与便携式设备 单位存储密度的提升。预计 2019 年到 2023 年 NAND 市场的年均复合增速有望达到 39.4%。

  逻辑芯片:智能手机逻辑芯片的制程不断提升,12 英寸硅片用量有望随之提高。依照摩尔定律,半导体行业呈现产品升级迭代快、性能持续提升、成本持续下降、 制程不断缩小的基本发展趋势。根据 Gartner 预测,2016 至 2022 年,全球芯片 制造产能中,预计 20nm 及以下制程占比 12%,32/28nm 至 90nm 占比 41%,0.13 μm 及以上的微米级制程占比 47%。目前,90nm 及以下的制程主要使用 12 英寸 半导体硅片,90nm 以上的制程主要使用 8 英寸或更小尺寸的硅片。截至 2020 年 7 月,台积电已实现 5nm 制程工艺 CPU 代工,中芯国际也已实现 14nm 制程量产。未来,随着 5G 智能手机对于逻辑芯片体积与处理能力的要求不断提高,下游晶圆 代工厂的制程水平也将不断突破与提升,12 英寸硅片的用量有望进一步得到提升。

  CIS 图像传感器:随着多摄像头在 5G 智能手机中的普及,12 英寸半导体硅片将 受 CIS 图像传感器需求拉动。CIS 图像传感器主要使用 12 寸外延片。同时,智能 手机是 CIS 图像传感器应用占比最大的下游,2018 年占比达 63.9%。根据 IC Insights 的统计,在拍照手机与嵌入式应用驱动下,CIS 图像传感器是过去 10 年 来成长最快速的半导体产品,市场产值已连续 9 年创新高,到 2019 年已经达到 184 亿美元的规模。2010 年到 2019 年,CIS 图像传感器销售额年均复合增速达 16.9%,出货量年均复合增速达 15.2%。随着多摄像头在 5G 智能手机中的普及, CIS 图像传感器市场增长迅速,极大拉动 12 英寸硅片需求。

  8 英寸半导体硅片市场占有率稳定,物联网、汽车电子为主要需求增长来源。2011 年开 始,8 英寸半导体硅片市场占有率稳定在 25-27%之间。2016 年至 2017 年,由于汽车 电子、液晶显示器等市场需求快速增长,8 英寸硅片出货面积从 26.9 亿平方英寸上升至 30.9 亿平方英寸,同比增长 14.7%。2018 年,受益于汽车电子、工业电子、物联网等 应用领域的强劲需求,以及功率器件、传感器等生产商将部分产能从 6 英寸转移至 8 英 寸,带动 8 英寸硅片继续保持增长,8 英寸硅片出货面积达到 32.8 亿平方英寸,同比 增长 6.3%。

  在汽车电动化、智能化、网联化趋势推动下,汽车电子市场规模迅速攀升,拉动 8 英寸 半导体硅片需求。汽车电子在整车上的应用,有助于提高车辆的安全性、舒适性、经济 性和娱乐性。随着汽车机械性能改善空间趋窄,汽车电子化的技术迭代已成为推动新车 型出现、提高汽车性能的重要手段。2019 年全球汽车电子市场规模达 1620 亿美元左右, 同比增长 6.6%。从我国汽车电子景气度来看,汽车电子用品行业景气指数自 2012 年以 来上下波动,但整体保持上升趋势。2015 年至今,汽车电子用品行业景气指数整体保 持在 150-175 范围内上下波动。虽 2016-2018 年出现小幅下降,但随着汽车行业复苏, 汽车电子用品行业景气指数自 2018 年 5 月的 151.1 上升至 2020 年 1 月的 161.3。

  全球物联网的蓬勃发展亦是推动 8 英寸半导体硅片需求增长的重要来源。物联网是新一 代信息技术的高度集成和综合运用,对新一轮产业变革和经济社会绿色、智能、可持续 发展具有重要意义。全球各国尤其是美国、欧盟、日韩等发达国家高度重视物联网发展, 积极进行战略布局,以期把握未来国际经济科技竞争主动权。根据 IDC 预测,预计 2020 年全球物联网行业整体收入为 9545 亿美元,同比增速 13.9%。国内物联网近几年保持 较高的增长速度。“十三五”以来,我国物联网市场规模稳步增长,到 2018 年中国物联 网市场规模达到 1.4 万亿元。根据工信部数据显示,截至 2018 年 6 月底,全国物联网 终端用户已达 4.7 亿户。未来物联网市场上涨空间可观。预计 2020 年中国物联网市场 规模将突破 2 万亿元。

  射频器件是 5G 无线通信设备的核心器件之一,SOI 硅片是制造射频器件的关键衬底材 料。射频前端芯片(RF)是超小型内置芯片模块,集成了无线前端电路中各种功能芯 片,包括功率放大器、天线调谐器、低噪声放大器、滤波器和射频开关等。射频前端芯 片主要功能是模拟信号处理,为以移动智能终端为代表的无线通信设备的核心器件之一。SOI 硅片主要包括应用于智能手机通讯的 RF-SOI(射频 SOI)、多应用场景的 FD-SOI (全耗尽 SOI)以及主要应用于汽车电子的 Power-SOI(功率 SOI)。其中,RF-SOI 为使用量最大的 SOI 硅片类,占比达 60.0%。SOI 硅片在 5G 智能手机中的使用面积要 高于 4G 智能手机,市场前景广阔。

  受 5G 通讯在全球范围内推广普及影响,射频前端市场与 SOI 硅片市场前景广阔。根据 Yole Development 统计分析,由于 5G 标准的逐步推行,预计射频前端市场规模将由 2017 年的 150 亿美元上升至 2023 年的 350 亿美元,年均复合增长率达 15.2%。作为 射频前端器件的生产原材料,SOI 硅片生产工艺更复杂、成本更高、应用领域更专业。根据 SEMI 统计,2016 年至 2018 年全球 SOI 硅片市场销售额从 4.4 亿美元增长至 7.2 亿美元,年均复合增长率 27.5%;同期,中国 SOI 硅片市场销售额从 0.02 亿美元上升 至 0.11 亿美元,年均复合增长率 132.5%。

  在 5G 手机移动智能终端前端模块中,SOI 硅片因成本优势具有多元应用场景。5G 无 线通讯需要更高的频率以达到更快的网速,而相比传统的砷化镓(GaAs)和蓝宝石上 硅(SOS)技术,SOI 可以同时提供优良的射频性能和较低的成本。正是基于以上优势,作为移动智能终端前端模块中的关键器件之一,射频开关芯片从 2013 年已经舍弃原来 的 GaAs 和 SOS 工艺,转而采用成本更低的 SOI 工艺。根据 SOI 硅片巨头 Soitec 统 计,RF-SOI 可应用于 5G 手机中的毫米波接收器(Transceiver)、Sub-6GHz 及毫米波 功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、射频开关(Antenna Switch)和天线调谐器 (Antenna Turner);FD-SOI 可应用于 5G 手机中的 Sub-6GHz 及毫米波接收器 (Transceiver)、毫米波功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和射频开关(Antenna Switch);POI 可应用于 5G 手机中的滤波器(Filter)。

  SOI 硅片在 5G 手机中用量大,在 5G Sub-6GHz和毫米波两种波段中都有广泛的应用。高性能、大尺寸的 SOI 衬底制备和射频开关代工技术,已经被证明能够满足 5G Sub-6 GHz 应用的性能和产能需求,未来 RF-SOI 无疑将把持 5G Sub-6GHz 下的手机射频开 关市场。根据 Soitec 的测算,目前 RF-SOI 硅片在一台 5G Sub-6GHz 波段智能手机上 的用量是 50 平方毫米,比一台 LTE 智能手机的用量多出了 43 平方毫米。除此之外, 由于具备高集成能力优势,RF-SOI 在毫米波段仍具有广泛的应用潜力。未来 RF-SOI 或 FD-SOI 硅片在一台兼具 5G Sub-6GHz 波段和毫米波段功能的智能手机上的用量有 望达到 65 平方毫米。

  半导体硅片行业的进入壁垒较高,主要体现在技术壁垒、资本投入壁垒以及客户认证壁 垒三个方面。

  技术壁垒方面:随着半导体制程不断缩小,芯片生产的工艺愈加复杂,生产成本 不断提高,成本因素驱动硅片向着大尺寸的方向发展。半导体硅片尺寸越大,对 于技术和设备的要求越高,半导体硅片的尺寸每进步一代,生产工艺的难度亦随 之提升。

  资本投入方面:半导体硅片行业是资本密集型行业,建设生产线以及持续研发需 要投入大量的资金。半导体器件使用的电子级多晶硅要求纯度为 9-11N,并且要精 确控制 P 和 B 元素的添加量以控制其物理化学特性,因此对专业设备和生产环境 要求极高,需要企业进行大量的重资产投入。以 SUMCO 为例,其在 2019 年的资 本支出达到了 503.0 亿日元,占其营业收入的 15.5%。

  客户认证方面:认证过程需要的时间较长,下游厂商认证成本较高,认证意愿较 低。通常情况下,下游芯片制造商引入新供应商时,会要求硅片供应商先提供部 分产品进行试产,待生产出来的半导体产品通过其内部和终端客户的认证之后, 才会与硅片生产商正式建立商业合作关系。整个产品认证周期一般为 9-18 个月;SOI 硅片产品的认证周期-通常比抛光片和外延片产品更长,一般为 1-2 年;终端用于汽车电子、医疗健康以及航空航天等领域的半导体硅片认证周期通常为 3-5 年。认证成本较高,时间较长,因而半导体生产商不会轻易更换供应商。

  全球半导体硅片行业集中度较高,12 英寸市场被海外龙头垄断。半导体硅片行业进入 壁垒较高,因此行业龙头企业的先发优势十分明显,潜在新企业很难进入市场。全球前 五大半导体硅片生产企业分别是日本的信越化学和 SUMCO、德国的 Siltronic、中国台 湾的环球晶圆以及韩国的 SK Siltron。2016-2018 年,全球前五大硅片生产公司的全球 半导体硅片销售额占比从约 85%上升至 93%。12 英寸半导体硅片同半导体硅片的整体 市场竞争格局基本保持一致,但全球约 98%的市场份额由信越化学、SUMCO、环球晶 圆、Siltronic 和 SK Siltron 五大巨头所垄断。

  公司之间的并购加速了行业集中度的提升。半导体行业的周期性较强,规模较小的企业 难以在行业低谷时期生存,而行业龙头企业由于产品种类较为丰富、与行业上下游的谈 判能力更强、单位固定成本更低,更容易承受行业的周期性波动。通过并购的方式实现 外延式扩张是一些半导体硅片龙头企业发展壮大的路径。如信越化学在 1999 年并购了 日立的硅片业务;SUMCO 为住友金属工业的硅制造部门、联合硅制造公司以及三菱硅 材料公司合并而成;环球晶圆在 2012 年收购了东芝陶瓷旗下的 Covalent Materials 的 半导体晶圆业务之后,成为全球第六大半导体硅片厂,并于 2016 年收购了正在亏损的 SunEdison Semiconductor Limited、丹麦 Topsil Semiconductor MaterialsA/S 半导体事 业部,进一步提升其市场占有率,也提高了整个行业的集中度。

  信越化学:公司是全球排名第一的半导体硅片制造商,公司目前主要包括六大事 业部。在半导体硅材料业务方面,公司作为半导体单晶硅片的龙头,始终牢牢在 技术层面占据行业制高点,公司于 2001 年开始大规模量产 12 英寸半导体硅片, 11N 的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅,在全世界处于领先水平。

  SUMCO:公司目前是全球第二大硅晶圆供应商,主营业务为硅晶圆片的制造,主 要产品类型包括高纯单晶硅锭、高质量抛光硅片、AW 高温退火晶片、EW 外延片、 JIW 结隔离硅片、SOI 绝缘体上硅、以及 RPW 再生抛光硅片。

  环球晶圆:公司是全球第三大硅晶圆片供应商,在硅片业务方面,公司拥有完整的晶圆生产线,可以提供的硅片产品包括:抛光片、扩散片、退火晶片、磊晶片 等。产品应用已跨越电源管理元件、车用功率元件、信息通信元件、以及 MEMS 元件等领域。公司于 2016 年收购了专注于 SOI 硅片与外延片制造的 SunEdison Semiconductor Limited、FZ(区熔)硅片产品主要供应商 Topsil Semiconductor Materials A/S 半导体事业部,从而成为全球第三大硅片制造商。

  Siltronic:公司是全球排名第四的半导体硅片制造商,主营经营地在德国。公司 专注于半导体硅片业务,从 1953 年开始从事半导体硅片业务的研发工作,1998 年实现 12 英寸半导体硅片的试生产,2004 年 12 英寸半导体硅片生产线已投产。主要产品包括 5-12 英寸半导体硅片。

  SK Siltron:公司是全球第五大半导体硅片制造商,主要经营地在韩国。公司设立 于 1983 年,1996 年建成 8 英寸半导体硅片生产线 英寸半导体 硅片生产线 年公司收购 LG 所拥有的 LG Siltron51%的股份,成功跻身全 球半导体硅片公司前列。2020 年 2 月 29 日公司又完成了对杜邦晶圆业务的收购, 预计将增加公司 SiC 硅片的产量。

  中国半导体硅片对外依存度逐年下降,12 英寸硅片对外依存度依旧较高。根据新材料 在线 英寸半导体硅片对外依存度为 6%,预计 2020 年对外依存度 下降至约 2%,基本实现完全国产替代。2019 年我国 12 英寸半导体硅片对外依存度为 82%,预计 2020 年对外依存度下降至约 70%,仍处于较高水平。由于国产硅片龙头沪 硅产业已经开始向中芯国际等晶圆制造企业供应 12 英寸半导体硅片,预计 2020 年我 国 12 英寸半导体硅片的供需差较 2019 年有一定下降。

  内外政策推动,共同催化半导体硅片国产化(略)技术产能不断提升,国产替代势在必行

  沪硅产业首先实现了国内对 SOI 硅片技术的突破,实现了国内半导体硅片技术的跨越式 发展。通过对新傲科技、上海新昇、原全球第八大半导体硅片企业芬兰 Okmetic 的整合, 并作为第一大股东参股 SOI 硅片龙头法国 Soitec,沪硅产业在短时间内成为地域上覆盖 中国和欧洲的国际化企业,打造出包括大尺寸标准硅片和高端 SOI 特色硅片在内的综合 性半导体硅材料供应平台,实现跨越式发展。

  Smart Cut™可使任何薄膜材料转移到任何其他材料之上,同时保持初始的晶体学性质。Soitec 是全球最大的优化衬底半导体材料供应商,掌握着 SOI 硅片领域最前沿 Smart Cut™生产技术,该技术已用于生产全球近 100%在售的绝缘硅(SOI)晶圆。沪硅产业 完成了对 Okmetic 的私有化收购、入股全球最大的 SOI 硅片企业法国上市公司 Soitec, 并控股上海新昇和新傲科技,初步实现了在半导体硅片领域的产业布局。Soitec 在全球 范围内授权 3 家公司使用该技术,分别为新傲科技、全球第一大硅片企业信越化学与全 球第三大硅片企业环球晶圆。2014 年 5 月,Soitec 与新傲科技签署合作协议和技术转 让协议。自此以来,新傲科技应用 Soitec 的 Smart Cut™专利技术生产高质量的 RF-SOI 和 Power-SOI 产品,并达到世界级水准。新傲科技与 Soitec 的战略合作伙伴关系使得 它们可使用同样的设备和制造工艺,生产符合相同规格和要求的同类产品。

  国内 RF-SOI 产业链发展不均衡,下游终端智能手机市场发展迅速,中游射频前端模块 和器件大部分依赖进口。目前,虽然我国企业具备 RF-SOI 硅片大规模生产能力,但是 国内仅有少数芯片制造企业具有基于 RF-SOI 工艺制造射频前端芯片的能力,因此国产 RF-SOI 硅片以出口为主。

  中国大陆企业的 12 英寸芯片制造产能低于 8 英寸芯片制造产能,预计 2020 年 12 英寸 产能实现反超。从产品端来看,国内部分硅片厂商只实现了少部分 8 英寸及其以下尺寸 的硅片国产代替,但是市场占比相对较小,没有形成规模效应。12 英寸硅片方面,国 内公司主要供应的是测试片或者挡片,在量产片方面几乎是空白。随着国内晶圆厂的建 设高峰来临,以及当前国际形势下国内市场对于国产化产品不断提升的需求,国内公司 正在积极投资半导体硅片研发和建设。在 8 英寸硅片项目中,国内厂商积极扩产抢占市 场;在 12 英寸硅片项目中,国内厂商积极投入研发,以通过晶圆厂的认证。另一方面, 国内半导体硅片厂商也在不断扩展产能,为将来的晶圆厂产能爆发做好准备。随着中国 大陆芯片制造企业技术实力的不断提升,预计到 2020 年,中国大陆企业 12 英寸制造 芯片产能将会超过 8 英寸制造芯片制造产能。

  目前,国内主要的半导体硅片制造公司有沪硅产业、中环股份、立昂微电子(金瑞泓)、 超硅半导体、有研半导体等。其中,沪硅产业是中国国内市占率最高的半导体硅片供应 商,2018 年全球市占比为 2.2%,位列第 8。2017 年以前,国内 12 英寸半导体硅片几 乎全部依赖进口。2018 年,沪硅产业子公司上海新昇作为中国大陆率先实现 12 英寸半 导体硅片规模化销售的企业,打破了 12 英寸半导体硅片国产化率几乎为 0%的局面。

  沪硅产业:公司是中国大陆规模最大的半导体硅片企业之一,是中国大陆率先实 现 12 英寸半导体硅片规模化销售的企业。公司打破了我国 12 英寸半导体硅片国 产化率几乎为 0%的局面,推进了国半导体关键材料生产技术“自主可控”的进程。公司目前已成为多家主流芯片制造企业的供应商,提供的产品类型涵盖 12 英寸抛 光片及外延片、8 英寸及以下抛光片、nba直播外延片及 SOI 硅片。

  中环股份:公司主要产品包括高效光伏电站、太阳能电池片、太阳能单晶硅棒/片、 半导体硅锭、76.2-200mm 抛光片、TVS 保护二极管 GPP 芯片。2019 年 1 月, 根据公告,公司拟使用募集资金建造月产 15 万片 12 英寸抛光片生产线。

  立昂微:公司是中国规模较大的半导体硅片企业,成立于 2002 年,主营业务为半 导体硅片以及半导体分立器件芯片的研发、生产和销售,主要产品包括 150-200mm 半导体硅片、肖特基二极管芯片、MOSFET 芯片。

  超硅半导体:公司主营业务包括为硅片制造、蓝宝石制造和人工单晶生长等,具备抛光片、外延片产品生产技术。

  有研半导体:公司成立于 2001 年,主要从事硅材料的研究、开发、生产与经营。其主要产品包括集成电路用、功率集成电路 5-8 英寸硅单晶及硅片 6 英寸及以下 区熔硅单晶及硅片、集成电路工艺设备用超大直径硅单晶及硅部件等。

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