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半导体产业链

半导体产业链

分类: 电子工程
属性: 技术
最后修改时间: 2024年05月10日
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半导体产业链大致可以划分为上游、中游和下游。上游包括半导体材料、生产设备、EDA、IP核。

       EDA,即电子设计自动化(Electronics Design Automation),包括电路设计与仿真工具、PCB 设计软件、IC 设计软件、PLD 设计工具等。

       IP核(Intellectual Property Core)提供已经完成逻辑设计或物理设计的芯片功能模块,通过授权允许客户将其集成在其芯片设计中,通过流片形成最终的芯片产品。

       中游包括设计、制造、封测三大环节。

       下游主要为半导体应用,例如PC、医疗、电子、通信物联网、、信息安全、汽车、新能源、工业等。

       半导体可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器

       其中规模最大的是集成电路,市场规模达到2,753 亿美元,占半导体市场的83%。集成电路从制程工艺来看,顶尖工艺(7nm+10nm)目前占据13%的市场份额,主要用于CPUGPU等超大规模逻辑集成电路的制造。主要用于存储芯片制造的14nm-28nm工艺占据了34%的市场份额;MCU/MPU、模拟器件、分立器件和传感器主要使用40nm以上工艺,占据了剩余的41%市场份额。另外,分立器件、传感器、光电器件也都在半导体行业中起着至关重要的作用,市场规模也都不小。分立器件主要包括二极管、晶闸管MOSFETIGBT等。

       从产业链价值量来看,设计占60%,其中逻辑IC占30%、存储IC占9%、DAO占17%;设备占12%;材料占5%;晶圆制造占19%,封装与测试占6%。

       从全球区域分布来看,欧美在设计、设备绝对主导;美国在EDA&IP核一家独大;韩国主导存储IC设计;日本在DAO、设备优势显著;中国在封测代工环节占比最高。

概述

       半导体是指电导率介于导体和绝缘体之间的材料。与金属导体相比,半导体具有更高的电阻和较低的导电性。基于半导体材料的电子器件可以通过控制电流电压来实现不同的功能。半导体的基本原理包括PN结、场效应和双极型等,这些原理是构建半导体器件的基础。

       半导体产业链主要包括以下几个环节:

       芯片设计:芯片设计是半导体产业链的起点。设计人员根据产品需求和市场需求,进行电路设计、功能验证和模拟仿真等工作。这一环节决定了芯片的性能和功能。

       制造工艺:制造工艺是将芯片设计转化为实际产品的过程。这包括晶圆制备、光刻、蚀刻、离子注入等一系列工艺步骤。制造工艺的精确控制和优化可以提高芯片的质量和产能。

       封装和测试:封装是将芯片封装在外壳中,并连接到外部电路的过程。封装和测试环节对产品的可靠性和性能起着重要作用。封装工艺包括焊接、封装材料选择和外部引脚的布局等。

设计与研发

       在半导体设计环节,EDA(电子设计自动化)和IP核(知识产权核心)是两个重要概念。

       EDA是指通过计算机辅助的软件工具和方法,来辅助设计和验证集成电路(IC)的过程。EDA工具可以帮助设计工程师进行电路设计、布局布线、时序分析、功耗优化等工作。它们能够提高设计效率、减少错误,并且加速产品的研发周期。常见的EDA工具包括电路仿真工具、布局布线工具、时序分析工具等。

       IP核是指在半导体设计中可复用的知识产权模块。IP核是一种预先设计好的功能模块,可以被其他设计团队用于构建自己的芯片设计。IP核可以包括各种功能模块,例如处理器核心、存储单元、接口模块等。使用IP核可以加速设计过程,减少设计团队的工作量,并提高设计的可靠性和性能。

       就产业规模而言,我国的集成电路设计行业销售规模从2010年的383.0亿元增长至2021年的4,519.0亿元,年复合增长率约为25.15%。与此同时,国内初创芯片设计公司受益于本土产业链的不断完善,获得了晶圆制造方面的支持。

       此外,产业资金和政策的支持推动了中国芯片设计公司的快速增长。根据中国半导体行业协会的数据,自2010年以来,中国的芯片设计公司数量大幅增加。从2010年的582家增长至2022年的3,243家,年复合增长率约为15.39%。

制造与生产

       封装和测试是半导体制造过程的最后一个阶段,需要大量的设备与人员投入,属于资本密集型、人员密集型产业。与其他领域相比,封测门槛相对较低,是国内半导体产业链中技术成熟度最高、 最容易实现国产替代的领域。受益产业转移,我国封测产业增速高于全球平均水平。

       晶圆加工:晶圆是半导体芯片的基础,通常由硅材料制成。晶圆加工包括晶圆清洗、化学机械抛光、氧化、光刻、蚀刻等步骤,用于形成芯片的基本结构。

       掩膜制备:利用光刻技术,在晶圆表面涂覆光刻胶,然后使用掩膜板将光刻胶进行曝光和显影,形成芯片的图案。这里的主要设备光刻机又名掩模对准曝光机,被称为“半导体工业皇冠上的明珠”,是半导体产业链中最精密的设备,是制造芯片的核心装备。

       全球能生产光刻机的厂商寥寥无几,荷兰阿斯麦、日本尼康和佳能占据了主要市场。其中,阿斯麦技术最为领先,它是唯一能生产极紫外线光刻机的厂家,这种光刻机可实现7纳米甚至5纳米工艺。阿斯麦第一大股东是美国资本国际集团,第二大股东是美国的黑岩集团。

       上海微电子正致力于研发28纳米浸没式光刻机,预计在2023年年底将国产第一台SSA/800-10W光刻机设备交付市场。

       蚀刻和沉积:通过蚀刻技术去除或沉积材料,以形成芯片的电路结构。蚀刻可以用于去除多余的材料,而沉积可以用于填充孔隙或形成层。

       放眼全球蚀刻机制造领域,依旧是海外企业占据主导地位。目前中国唯一的蚀刻机巨头中微半导体,耗时多年成功打破了其他国家的技术封锁,制造精度从65nm一步步突破到了5nm。有消息称,中微半导体已经开始研发3nm的制造工艺。

       清洗和检测:在制造过程中,需要对芯片进行多次清洗和检测,以确保质量和可靠性。

       制造阶段的质量控制和效率优化是确保芯片质量和生产效率的关键。质量控制包括对每个制造步骤的严格控制和检测,以确保产品符合规格要求。效率优化可以通过优化工艺参数、提高设备利用率、减少制造周期等方式来实现。

       近年来,中国的集成电路制造业市场迅速增长,主要受益于本土晶圆代工厂如中芯国际、华虹半导体的崛起,以及台积电等龙头企业在中国大陆设厂。根据中国半导体行业协会的数据,从2010年至2021年,中国大陆的集成电路制造业产业规模从409.0亿元增长至3,176.3亿元,年复合增长率达到20.48%;其中,中芯国际的年度营收从84亿元增长至507.57亿元,2011年至2022年的复合增长率为17.77%。

封装与测试

       封装和测试是半导体制造过程的最后一个阶段,需要大量的设备与人员投入,属于资本密集型、人员密集型产业。与其他领域相比,封测门槛相对较低,是国内半导体产业链中技术成熟度较高且好实现国产替代的领域。受益产业转移,我国封测产业增速高于全球平均水平。

       据中国半导体行业协会数据统计,中国半导体封测业的年销售额在2014年至2021年期间呈现显著增长。从2014年的1,256亿美元增加到2021年的2,763亿美元,这意味着一个复合增长率约为11.92%。这个增速远超过同期全球平均水平,显示了中国半导体封测业在过去几年取得的强劲发展势头。

       半导体的产业链非常复杂,并且在一些重要环节呈现集中趋势,只有少数几家公司能参与其中。例如,全球能做7nm先进制程的光刻机产品的,仅仅荷兰ASML一家公司。在设计环节,Cadence、Synopsys、Ansys和西门子EDA四家美国企业占据EDA软件90%以上的份额。

       半导体是现代经济的基础材料无处不在、必不可少。它们为计算机、手机、消费电子、家电等设备提供动力和连接,同时也支撑着汽车、金融、能源、医疗、工业设备等领域的发展。可以说,半导体是整机设备的核心,扮演着支撑数字经济发展的重要角色。我们的现代世界建立在半导体技术之上,它们是推动各个行业创新和进步的基础设施单元。

行业细分

       半导体产业链是一个庞大且复杂的体系,涵盖了多个行业细分。以下是半导体产业链的主要行业细分:

上游供应

       1、EDA(电子设计自动化):EDA是半导体产业链中不可或缺的一环,它利用计算机辅助设计软件来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。

       2、IP核:IP核是知识产权核或知识产权模块的意思,在EDA技术开发中具有十分重要的地位。IP核将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块,如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。

       3、半导体材料:

       硅片:作为半导体产业链的基础材料,硅片是制造芯片的关键材料。

       光刻胶及配套试剂:光刻胶是用于光刻工艺中的一种感光材料,可以将电路图案转移到硅片上。配套试剂则包括显影液、定影液等,用于光刻胶的处理和清洗。

       电子特气:包括高纯氮、氢、氧、氩等,这些气体在半导体制造中被广泛用于化学气相沉积、外延生长、离子注入等工艺中。

       抛光材料:用于硅片的表面处理,以获得高度平滑和光洁的表面。常用的抛光材料包括氧化铈、氧化铝等。

       靶材:用于制备薄膜材料的一种材料,如钨、铜等。在制备过程中,靶材被加热至熔融状态,并被离子束溅射到硅片上,形成所需的薄膜。

       光掩膜版:用于将电路图案转移到硅片上的光学掩膜,由具有不同光学特性的材料制成。

       4、半导体设备:包括单晶炉、氧化炉、刻蚀机、光刻机、CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、离子注入机、检测设备、引线缝合机、涂胶显影机等。

中游制造

       芯片设计:根据市场需求和应用场景,进行芯片的功能设计、逻辑设计和物理设计。

       晶圆制造:将硅片经过多道工序加工成晶圆,包括切割、研磨、抛光、蚀刻等。

       芯片制造:在晶圆上通过光刻、蚀刻、扩散、离子注入等工艺制造出集成电路。

       芯片封测:对制造好的芯片进行封装和测试,以保证其质量和可靠性。

下游应用

       消费电子:如智能手机平板电脑、电视等。

       通信设备:如基站路由器交换机等。

       汽车电子:如车载芯片、传感器、控制模块等。

       工业电子:如工业自动化控制、机器人智能制造等。

       军事航天:如雷达、导航、卫星通信等。

       以上仅是半导体产业链的主要行业细分,实际上还包括许多其他领域和细分市场。随着技术的不断进步和市场需求的不断变化,半导体产业链也在不断发展和演变。

相关企业

       1.中芯国际:国内芯片代工龙头。

       2.士兰微:国内氮化镓集成电路芯片设计、封装等全产业链优质企业。

       3.华润微:国内第一家集芯片设计、晶圆制造、封测等于一体的优质代工企业。

       4.通富微电:集成电路封测三大龙头之一。

       5.华天科技:集成电路封测三大龙头之一。

       6.长电科技:集成电路封测三大龙头之一。

       7.扬杰科技:国内稀缺的集芯片设计、制造及封装测试等全产业链优质企业。

龙头股:

       闻泰科技:最大功率半导体企业(安世半导体)。

       长电科技:国内第一、全球第三的半导体封测企业。

       三安光电LED芯片国内第一,第三大半导体材料国内第一。

       卓胜微:国内第一、全球第五的射频芯片龙头。

       兆易创新:存储芯片、MCU芯片龙头。

       韦尔股份:国内第一、全球第三的CIS芯片龙头。

       汇顶科技:指纹芯片全球第一。

       斯达半岛:国内IGBT龙头。

       中芯国际:晶圆代工绝对龙头。

       圣邦股份:国内模拟芯片龙头。

       北方华创:半导体高端装备龙头。

       中微公司:半导体刻蚀机龙头。

       士兰微:功率半导体IDM龙头。

       景嘉微:国内GPU领军企业。

       捷捷微电:汽车分立器龙头。

       瑞芯微:SoC芯片龙头。

       中颖电子:家电主控单芯片MCU龙头。

       精测电子:半导体+面板检测设备龙头。

       晶晨股份:国内多媒体芯片龙头。

       沪硅产业:半导体硅片龙头。

       北京君正存储器+处理器龙头。

       南大光电:ArF光刻胶龙头。

       立昂微:半导体硅片+分立器件龙头。

       雅克科技:电子特气龙头。

       紫光国微:FPGA芯片龙头。

       华润微:功率半导体

一、摄像头芯片:

       韦尔股份:主营业务为半导体分立器件和电源管理IC等产品的研发设计。

二、储存芯片:

       国科微:国内广播电视系列芯片和智能监控系列芯片的主流供应商之一。

       北京君正:掌握嵌入式CPU核心技术并成功市场化的极少数本土企业之一。

三、射频芯片:

       卓胜微:业界率先基于RFCMOS工艺实现了射频低噪声放大器产品化的企业之一。

       三安光电:国内最大全色系超高亮度LED芯片生产企业,国内光电领域龙头。

四、数字芯片:

       晶晨股份:智能机顶盒、电视芯片的引领者和AI音视频系统终端芯片的开拓者。

       乐鑫科技:专业的集成电路设计企业,相继研发出多款市场影响力强的产品。

       瑞芯微:公司专注于AP芯片和AC芯片两大类设计研发。

       全志科技:在超高清视频技术与应用领域长期耕耘。

五、模拟芯片:

       圣邦股份:专注于模拟芯片设计,产品覆盖信号链和电源管理的半导体企业。

       韦尔股份:主营业务为半导体分立器件和电源管理IC等产品的研发设计。

六、功率芯片:

       斯达半岛:国内IGBT领域领军企业,国内唯一进入全球前十的IGBT模块供应商。

       捷捷微电:专注于电力半导体领域中,晶闸管器件及芯片方面是IDM的厂商。

       晶丰明源:国内领先的模拟和混合信号集成电路设计企业之一。

七、wif芯片:

       华胜天成:具有领先优势的企业级云服务和企业IT系统解决方案提供商。

       博通集成:上海市从事无线通讯集成电路芯片的研发与销售类公司。

八、制造:

       赛微电子:我国导航定位领域的国家级高新技术企业和“双软”认证企业

       士兰微:半导体和集成电路产品设计与制造一体的高新技术企业。

九、封测:

       长电科技:国内著名的三极管制造商,集成电路封装测试龙头企业。

       通富微电:国内规模最大、产品品种最多的集成电路封装测试企业之一。

       华天科技:国内领先的半导体集成电路封装测试企业之一。

十、刻蚀机:

       中微公司:全球高端半导体微观加工设备公司。

十一、PVD:

       北方华创:国内主流高端电子工艺装备供应商。

十二、检测设备:

       精测电子:国内较早从事平板显示检测系统业务公司之一。

       华峰测控:主营半导体自动化测试系统,获“第五届中国半导体创新产品和技术”荣誉。

       长川科技:公司掌握了集成电路测试设备的相关核心技术。

十三、光刻胶:

       南大光电:MO源产业化生产的企业。

       容大感光:行业内生产PCB感光油墨产品品种最为齐全的企业之一。

       飞凯材料:我国主要的光纤光缆涂覆材料供应商之一。

       晶瑞电材:国内最早规模量产光刻胶的少数几家企业之一。

十四、IC集成电路设计企业:

       兆易创新:国内存储芯片设计龙头。

       国科微:国内广播电视芯片和智能监控芯片龙头。

       韦尔股份:模拟芯片龙头、半导体器件和电源管理IC等设计及分销龙头。

       弘信电子:柔性电路板FPC龙头。

       富瀚微:数字信号处理芯片设计龙头。

       北京君正:嵌入式CPU芯片、可穿戴芯片设计龙头。

       汇顶科技:电容触控芯片和指纹识别芯片龙头。

       瑞芯微:智能应用处理芯片领军者。

十五、半导体材料企业:

       阿石创:国内PVD镀膜材料行业龙头。

       飞凯材料:芯片封装材料龙头。

       南大光电:MO源材料龙头、国内光刻胶龙头。

       雅克科技:国内光刻胶细分龙头。

       江丰电子:国内高端半导体靶材龙头。

       鼎龙股份:柔性基板材料龙头。

十六、半导体设备企业:

       北方华创:国内稀缺的平台型半导体设备龙头。

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