如何看懂半导体制造(代工)?

作者:王学恒 何立中 

来源:学恒的海外观察

半导体制造(代工)是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈

半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈。电脑CPU、手机SOC/基带等高端芯片,国内已经有替代,虽然性能与国际巨头产品有差距,但是至少可以“将就着用”。而半导体制造是处于“0~1”的突破过程中。假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工,那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。

半导体制造(代工)厂三大指标

  • 一是先进制程达到多少纳米。工艺制程反应半导体制造技术先进性,目前能够量产的最先进工艺是台积电的5nm,国内半导体代工厂最新先进的是中芯国际的14nm。此处的14nm、5nm是指芯片内部的晶体管的栅长,通俗讲就是芯片内部的最小线宽。一般情况下,工艺制程越先进,芯片的性能越高,特别是数字电路。

  • 二是看晶圆尺寸。生产功率半导体主要使用6英寸和8英寸硅片,微控制器使用8英寸硅片,逻辑芯片和存储芯片则需要12英寸硅片,因此随着半导体技术的发展和市场需求的变化,目前硅片正向大尺寸趋势发展。

  • 三是看产能。一般情况下,半导体制造厂商不会轻易扩产,产能在1年左右的短期内是稳定的,当半导体景气度来临,产能决定公司的收入。截至2019年Q3,全球主要半导体代工厂产能排名:台积电、联电、中芯国际、世界先进、华虹半导体。

工艺制程不是越先进越好

  • 一是上游IC设计费用越来越高。

  • 二是工艺逼近极限,中游投资增加但边际效果下降。

  • 三是客户从代工厂稳定性可靠性考虑。

技术路线符合客户需求——客户希望代工厂的投入、发展方向符合客户技术发展方向;对现有工艺差异化技术需求。

扩大客户投资价值——客户希望从每一代技术中获得更多价值,充分利用设计每个技术节点所需的大量投资。财务稳健确保供应——客户希望代工厂的财务稳健,以满足未来十年芯片生产需求。

半导体代工增速超半导体行业增速

2013~2019年,全球半导体增长34%,而Fabless需求(对应代工厂收入)增加83%。

投资建议

我们认为,市场对芯片设计、半导体设备的认识已经很充分。而对半导体制造环节认识不够。同时,再加上半导体制造研究的高壁垒,导致资本市场对半导体制造是被动型忽视的。

2020年是半导体制造的大年,我们继续推荐中芯国际、华虹半导体。

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制造(代工)是半导体产业的重点

半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈,电脑CPU、手机SOC/基带等高端芯片,国内已经有替代,虽然性能与国际巨头产品有差距,但是至少可以“将就着用”。

而半导体制造是处于“0~1”的突破过程中,假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工,那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。

本文主要讲半导体制造,涉及到半导体产业链有硅、代工厂

硅片产业链

硅是极为常见的一种元素,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。

按照工艺类型,半导体硅片可分为抛光片、外延片和以SOI硅片为代表的高端硅基材料。

一般而言,8寸以下的集成电路产线用抛光片,45nm及以下线宽的12寸晶圆用外延片,SOI是一种新型工艺。

l抛光片是应用范围最广泛,用量最大、最基础的产品,其他的硅片产品也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。抛光片去除了表面残留的损伤层,实现了硅片表面的平坦化,可用于制作存储芯片、功率器件及外延片的衬底材料。

l外延片是在抛光片衬底上生长一层单晶硅,这层单晶硅称为外延层;在外延层上注入基区、发射区等等。因为,在双极型器件和集成电路中,为了减小集电极串联电阻,以降低饱和压降与功耗。可用于通用处理器芯片、图形处理器芯片、二极管、IGBT功率器件的制造;

lSOI硅片能够减少寄生电容和漏电现象,消除闩锁效应。在MOSFET及其集成电路中,主要是为了降低导通压降与功耗,有时是为了隔离的需要。在CMOS-IC芯片中,比较多地倾向于采用SOI衬底片,主要是为了减弱或者避免闩锁效应,同时也可以抑制短沟道效应,这对于ULSI具有重要的意义,被用于射频前端芯片、功率器件、汽车电子等领域。

绝缘体上硅还用于航天电子、导弹等武器系统的控制和卫星电子系统的新型硅材料,实现了CMOS和双极电路的全介质隔离,具有无闭锁、高速、低功耗、高封装密度、抗辐射、耐高温(300度)优点。

硅片制造工序为:拉晶—切片—磨片—倒角—刻蚀—抛光—清洗—检测,其中拉晶、抛光和检测为硅片制造核心环节。

半导体制造商在合格的硅片上刻电路(半导体制造),制造完备后再封装测试。

上游硅片市场规模

2018年全球硅片出货面积达127.3亿平方英寸,同比2017年增长7.81%

2018年全球硅片销售金额为114亿美(其中中国大陆半导体硅片9.96亿美元),同比2017年增长30.65%,其中每平方英寸单价为0.89美元,较2017年增长21%

2016~2018全球半导体硅片市场销售规模CAGR25.75%

五大硅片厂垄断市场

全球半导体硅片市场主要集中在几家大企业,行业集中度高,技术壁垒较高。20185大硅片厂商合计95%市场份额,行业前五名企业的市场份额分别为:日本信越化学市场份额28%,日本SUMCO市场份额25%,德国Siltronic市场份额14%,中国台湾环球晶圆市场份额为14%,韩国SKSiltron市场份额占比为11%,法国Soitec4%

半导体代工厂的三大指标

一是先进制程达到多少纳米

工艺制程反应半导体制造技术先进性,目前能够量产的最先进工艺是台积电的5nm,国内半导体代工厂最新先进的是中芯国际的14nm。此处的14nm5nm是指芯片内部的晶体管的栅长,通俗讲就是芯片内部的最小线宽。

一般情况下,工艺制程越先进,芯片的性能越高,特别是数字电路。

从工艺制程组成看,全球40%的半导体代工厂收入来自40nm及以下的先进工艺制程,这个比例将来会提升。

二是晶圆尺寸趋于大硅片

目前,全球主要晶圆尺寸是6寸、8寸、12寸。

生产功率半导体主要使用6英寸和8英寸硅片,微控制器使用8英寸硅片,逻辑芯片和存储芯片则需要12英寸硅片,因此随着半导体技术的发展和市场需求的变化,目前硅片正向大尺寸趋势发展。

2018年全球12英寸硅片需求平均值要在600-650万片/月,而8英寸硅片需求平均值在550-600万片/月。就技术角度来看,12英寸硅片需求主要被NANDDRAM所驱动,从市场角度来讲,智能手机的存储量逐渐增长以及对数据传输的依赖,促进了固态硬盘(SSD)对原有机械硬盘(HDD)的替代;传感器在智能手机中的运用也起到了一定的作用。8英寸硅片被更多的运用在了汽车电子领域,如ADAS系统与车载娱乐的普及,加剧了市场对逻辑电路以及高精度元器件的需求,长期来看8英寸硅片也依然有巨大需求。

三是产能决定短期业绩

一般情况下,半导体制造厂商不会轻易扩产,产能在1年左右的短期内是稳定的,当半导体景气度来临,产能决定公司的收入。

截至2019Q3,全球主要半导体代工厂产能排名:台积电、联电、中芯国际、世界先进、华虹半导体。

工艺制程不是越先进越好

一是上游IC设计费用越来越高。先进制程满足为设备提供了良好的功耗比,但是IC设计费用越来越高,代际设计费用增速也越来越高。例如7nm芯片设计成本超过3亿美元,华为mate20  麒麟980芯片就是用台积电的7nm工艺制程,麒麟980是由超过1000名半导体工程师组成的团队历时3年时间、经历超过5000次的工程验证才成功应用。

IBS的测算要是基于3nm开发出NVIDIA GPU设计成本达15亿美元。从芯片设计经济效益看,7nm是长期存在节点,5nm/3nm的功耗性能面积成本难达到平衡点,除非有超额的出货量来均摊成本。

二是工艺逼近极限,中游投资增加但边际效果下降

14nm之前,每18个月进步一代的制程,性价有50%的提升,14nm之后,趋势就已经逐渐衰微了。

例如,当处理器速度提升1倍,但用户体验到的速度达不到1倍。用户体验是一个完整系统,处理器性能发挥收到内存、系统软件、网络等限制。

工艺尺寸的升级需要光刻系统配合,7nm后光刻系统已经从DUV转向EUV升级,投资成本急剧增加,例如三星7nm产线投资额56亿美元升级Hwaseong的晶圆厂,需要8EUV,每套EUV系统15亿人民币。

另外,工艺升级晶体管升级也要创新,14nm开创了FinFET3nm需要GAA经晶体管结构,晶体管级的创新对代工厂的产线来说是彻底的改造。

三是客户从代工厂稳定性可靠性考虑。

l技术路线符合客户需求——客户希望代工厂的投入、发展方向符合客户技术发展方向;对现有工艺差异化技术需求。

l扩大客户投资价值——客户希望从每一代技术中获得更多价值,充分利用设计每个技术节点所需的大量投资。

l财务稳健确保供应——客户希望代工厂的财务稳健,以满足未来十年芯片生产需求。

考虑以上因素,格罗方德、联电都放弃14/12nm以下的开发

先进制程和特殊工艺双向发展

未来半导体工艺发展有两个方向,一是继续追求先进制程小型化,典型代表台积电、三星、英特尔、中芯国际;二是聚焦特色工艺的满足多样化需求,实现人与环境的互动,例如华虹半导体、联电、格罗方德、世界先进。

代工增速超半导体行业整体增速

半导体厂商模式分为只有设计无制造的Fabless模式和有设计有制造的IDMFablessIDM、系统厂商都是代工厂的客户。

2019年中国大陆半导体代工市场规模预计在110亿美元同比增长14.6%

2019年全球Fabless半导体代工需求为1260亿美元,同比增长13.5%,其中中国市场需求为280亿美元,同比增长21.7%

DIM厂商产能不足的时候外找代工厂,一些system厂商自己做芯片,例如汇川(变频器)、合肥阳光(电源)、英威腾(变频器),这些终端系统商为了减低成本,保证供应链,自己设计芯片交给代工厂制造。

半导体代工增速超半导体行业增速,2013~2019年,全球半导体增长34%,而Fabless需求(对应代工厂收入)增加83%

全球代工厂排名

2019Q3全球十大晶圆厂排名为:台积电、三星、格罗方德、联电、中芯国际、高塔、华虹、世界先进、力晶、东部高科。

国内代工龙头中芯国际排名第五,市场占有率4.4%

投资建议

我们认为,市场对芯片设计、半导体设备的认识已经很充分。而对半导体制造环节认识不够。同时,再加上半导体产业研究的高壁垒,导致资本市场对半导体制造是被动型忽视的。2020年是半导体制造的大年,我们继续推荐中芯国际、华虹半导体。

行业投资风险

第一,   重资产行业折旧影响利润。

第二,   资本开支大,影响现金流。

第三,   贸易战缓和,导致国内代工厂面临全球竞争。

*声明:文章为作者独立观点,不代表格隆汇立场

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