從28納米到7納米,中國半導體該如何追趕龍頭?
發布時間:2018-05-12
瀏覽次數:1943

導語:

根據中國半導體行業協會統計,2017年我國集成電路設計、制造、封測三個產業分別實現收入2073.5億/1448.1億/1889.7億,同比+26.1%/+28.5%/+20.8%,顯著高于全球市場增長率。

半導體行業壟斷程度加劇,中國大陸無緣前20強

芯片(集成電路)制造技術是當今世界最高水平微細加工技術,是全球高科技國力競爭的戰略必爭制高點。

根據美國市場研究機構ICInsights的統計,2016年全球前20大半導體公司中,包括美國的英特爾、高通、美光、德州儀器、蘋果、英偉達、格羅方德、安森美,日本的東芝、索尼、瑞薩,歐洲的恩智浦、英飛凌、意法半導體以及中國臺灣地區臺積電、聯發科、聯華電子,韓國則有兩家公司上榜,分別是三星、海力士。其中有9家公司營收超過100億美元,前20強的門檻是44.55億美元。

中國大陸最大的半導體公司華為海思以37.62億美元的營收無緣榜單。除名單中的3家純晶圓代工廠外,剩余17家半導體芯片公司總銷售額占全球半導體總銷售額(3571億美元)的68%,與2006年的58%相比,前17大半導體公司占比提升了10個百分點。

全球半導體行業的壟斷程度和行業集中度在持續增加。

福斯特半導體_半導體

福斯特半導體_半導體

根據中國半導體行業協會統計,2017年我國集成電路設計、制造、封測三個產業分別實現收入2073.5億/1448.1億/1889.7億,同比+26.1%/+28.5%/+20.8%,顯著高于全球市場增長率。

但是,我國集成電路產業鏈先進工藝嚴重匱乏,導致國內市場對國外高端產品進口依賴嚴重,約七成的集成電路產品依賴進口。進口總金額已經超過同期原油進口金額,成為中國第一大進口商品。

從設備端看,CVD(化學氣相淀積設備)、刻蝕機、分布重復光刻機和引線鍵合機占進口金額比例較大,前三者為制造環節最重要的三種機器設備,技術門檻高,單臺價值量大;引線鍵合機則歸屬于封測環節。

目前,我國12英寸晶圓先進封裝、測試生產線設備的國產化率已經可以達到70%以上。12英寸、90-28nm制程的國產集成電路晶圓設備已經進入國內外大規模集成電路主流生產線。

全球范圍內,集成電路設備研發水平在12英寸10納米以下,生產水平則已經達到12英寸14納米。

我國設備廠商的研發水平為12英寸14納米,生產水平處于12英寸28納米階段。就現狀看,我國集成電路工藝水平與國外先進水平尚存一定差距,在此大環境之下,國內設備廠商尚無法與國外公司在技術上形成對壘。

福斯特半導體_半導體

需求大增,產能有限,硅片漲價帶動存儲器漲價

從2017年初開始,硅片的價格便不斷上漲。全球硅片市場Q1合約價平均漲幅約達10%,Q2硅片價格繼續上漲,累計漲幅已超過20%,Q3合約價再調漲10%左右,且漲價趨勢正快速從12英寸硅片向8英寸與6英寸蔓延。

目前,信越半導體及SUMCO勝高的12寸硅片簽約價已從2016年的75美元/片漲至120美元/片,漲幅高達60%。

根據日經新聞報導,日本硅片巨頭SUMCO預估2018年12寸硅晶圓價格有望進一步回升約20%(即2018年Q4價格將較2016年Q4高出40%以上),且2019年也將持續回升。

隨著芯片應用領域的擴大,硅晶圓供不應求,半導體行業進入高景氣周期。

福斯特半導體_半導體

三星電子、美光科技以及SK海力士三大巨頭直接占據了90%以上的芯片市場份額。

韓國三星在2017年的存儲器漲價中最為受益。三星是全球最大的存儲芯片廠商,其DRAM產品市占率約48%,NANDFlash產品市占率約35.4%。據公司財報顯示,2017年第二季度,三星營收增長19.8%,凈利潤增長89%,高達99億美元,不僅打破了自己的最高單季度凈利潤記錄,還首次超過了蘋果公司。

2017年第三季度,三星收入545億美元,同比增長29.7%,凈利潤127.6億美元,同比增長179.47%。2017年前三季度,三星總收入1524.56億美元,同比2016年的1304.46億美元增長16.8%。前三季度存儲器的瘋狂漲價為三星帶來338.1億美元的利潤,同比增長92.3%。

在終端業務因電池門事件失利之后,半導體業務成為三星利潤持續高增長的主要來源。2017年全年三星實現營收239.58萬億韓元(約合2234.56億美元),同比增長19%,營業利潤實現53.65萬億韓元(約合500.39億美元),同比增長83%。其中,芯片業務營收達690億美元,占總營收的31%,超過了英特爾628億美元的公司整體營收。

與三星類似,截至2017年12月31日的第四季度,SK海力士營收達9萬億韓元,同比增長69%,運營利潤達到4.5萬億韓元,遠遠超過上年同期的1.54萬億韓元。

回看中國國內,存儲器領域仍是整個半導體產業鏈最為薄弱的環節之一。

福斯特半導體_半導體

受益于技術進步,半導體芯片應用領域擴大

從下游需求來看:

1.先進的制程工藝對硅片質量要求提高。

全球晶圓代工大廠:臺積電、三星電子、英特爾進入高端制程工藝競賽,20nm以下的先進工藝將在整個晶圓代工中的比例越來越高,先進的工藝對高質量大硅片的需求越來越大。

2.存儲芯片市場爆發顯著拉動12英寸硅片需求。

DRAM、NANDFlash等存儲芯片均采用12英寸晶圓為主,根據ICInsights的數據,2017年DRAM銷售額飆升74%,NAND銷售額強勁增長44%。

同時三星、SK海力士、英特爾/美光(雙方是合作關系)、東芝等廠商全力投入3DNAND擴產,3DNAND的投資熱潮將刺激300mm(12英寸)大硅片的市場需求。

福斯特半導體_半導體

3.受益于汽車電子,消費電子,人工智能等行業的快速發展,半導體芯片的應用范圍急速擴大。

智能手機的出貨量增長和創新升級將帶動指紋識別芯片和攝像頭CIS芯片的需求增加,汽車電子的普及也將帶動汽車半導體快速增長,此外還有物聯網MCU微控制器等IC芯片開始快速增長,這些需求端的擴大都為8英寸和12英寸硅片帶來新的增量。

4.全球范圍內興建晶圓代工廠,尤其是中國大陸的晶圓廠將爆發式擴張,對于原材料硅片的需求預期將進一步上升。

預計2018-2019年硅片供需狀況將更加緊張。SEMI的統計,預估2017年到2020年的四年間,將有26座新晶圓廠在中國大陸投產,成為全球新建晶圓廠最積極的地區,整個投資計劃占全球新建晶圓廠的比例高達百分之42%(全球共62座),成為全球新建投資最大的地區。

全球半導體行業經歷了三次產業大遷徙

半導體產業于上世紀五十年代起源于美國,之后共經歷了三次大規模產業轉移。

第一次產業轉移起始于20世紀60年代,集成電路封裝業(組裝)首先由美國向日本轉移。封裝業屬于勞動密集型產業,美國將封裝業從制造業中分離出來,轉移到生產成本更低的亞洲國家。日本抓住產業機遇,實現了組裝線的全面自動化。

之后,日本半導體產業以DRAM為切口快速崛起,憑借其大規模生產技術取得低成本和可靠性優勢,快速滲透全球市場。日本的DRAM市占份額迅速超越美國,躍居世界首位。1986年,日本企業在全球DRAM市場所占份額達到了80%,成為世界半導體中心。

第二次產業轉移發生在20世紀90年代,全球范圍內開始了以互聯網為核心的技術革命,日本的半導體優勢地位被韓國取代。

日本由于房地產泡沫破裂,大財團缺少資金對產業進行升級,導致日本在該領域未能做好充分準備。不同于大型主機對DRAM質量和可靠性的高要求,PC對DRAM的主要訴求轉變為低價。

韓國、中國臺灣地區、新加坡通過技術引進和勞動力成本優勢,很快取代了日本DRAM的國際地位,1998年,韓國成為DRAM第一生產大國。

90年代后期,晶圓代工模式逐漸興起,芯片設計與制造環節分離,以中國臺灣地區為代表的晶圓代工廠改寫了全球半導體產業制造模式。第二次產業轉移后,半導體行業形成了世界范圍內美國、韓國、中國臺灣地區等國家和地區多頭并立的局面。

半導體行業經歷兩次產業轉移后,目前正借助消費電子時代向中國轉移。二十一世紀以來,我國由于具備勞動力成本等多方面的優勢,正在承接第三次大規模的半導體產業轉移。如今,半導體產業的驅動力已經由PC進一步轉化為下游的消費電子產品。

ICinsights公布的2016年全球智能手機前14強名單中,中國占了10個,以智能手機為主導的移動通訊將為我國半導體行業帶來新的爆發點。

集成電路產業的國際轉移形成的結果是美國、日本在微電子產業中的份額不斷下降,而亞洲/太平洋地區(除日本)由于各方面比較優勢,逐漸成為全球微電子產業增長最快的地區。

福斯特半導體_半導體

福斯特半導體_半導體

福斯特半導體_半導體

追趕國外龍頭,提高晶圓制造工藝是關鍵

英特爾創始人戈登·摩爾提出摩爾定律:當價格不變時,集成電路上可容納的元器件數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍,從而要求集成電路尺寸不斷變小。

概括之,集成電路有“更快、更小、更便宜”的發展趨勢,因此對基礎材料單晶硅提出了大直徑和無缺陷的要求,硅的純度要在11個9以上(即99.999999999%),同時硅片也沿著大尺寸的趨勢發展。

目前主流的硅片為300mm(12英寸)、200mm(8英寸)和150mm(6英寸),其中300mm硅片自2009年開始市場份額超過50%,到2015年的份額已經達到78%,根據SEMI預計2020年將占硅片市場需求大于84%的份額。

摩爾定律長期以來鞭策半導體產業做出驚人發展,半導體制程不斷突破制造極限。根據ICinsights公布的技術路線圖,國際龍頭廠商對半導體工藝的研究已經到了10nm以下。

半導體龍頭企業Intel預計2018年將量產10nmFinFET,宣稱堪比其他代工企業的7nm技術;臺積電、三星、GlobalFoundries均計劃在2018年完成7nmFinFET技術的量產,但EUV的導入時間不一致:三星在2017年5月就推出應用EUV的7nm解決方案,2018年將量產,而臺積電和GlobalFoundries預計2019年才使用EUV提升光刻質量;聯電目前處于14nmFinFET的量產階段。

福斯特半導體_半導體

在尖端的制程技術,只有屈指可數的高端玩家才能跟進,從人才和資金上負擔得起下一步的研發需求。尤其在晶圓制造環節,我國和國外廠商相去甚遠。

晶圓制造作為半導體制造中極其重要的一環,是將經過IC設計廠精密設計的電路,通過光刻、離子注入、拋光等一系列工藝步驟轉移到硅晶圓上來,從而制造出具備所需功能的IC芯片。

20世紀80年代之后,半導體產業分工進一步細化使得純粹進行晶圓生產的半導體代工業在中國臺灣地區興起。我國由于缺乏先進制程技術,國內芯片設計完成后,往往需要依靠中國臺灣地區或國外代工廠的支持生產芯片。

福斯特半導體_半導體

經過十幾年的發展,我國晶圓制造工藝與先進水平的差距正在逐漸縮小。根據《電子工程世界》的數據,目前12英寸生產線的65/55納米、45/40納米、32/28納米工藝產品已經量產;16/14納米關鍵工藝技術已展開研發并取得一定的技術突破和成果;8英寸生產線的技術水平覆蓋0.25微米~0.11微米。

目前,我國集成電路制造企業的工藝水平已提升至28納米,作為中國內地規模最大、技術最先進的集成電路芯片制造企業,根據半導體行業觀察的判斷,中芯國際2018年將完成28nm的HKC+量產,同時2019年量產14nmFinFET。