硅片——半导体行业之基石(2)

硅片——半导体行业之基石(2)

2021-11-22 16:13:21 0

来源:中信建投

需求向好叠加产业东移,大硅片国产化加速

取决于制程要求,8/12 英寸应用场景决定需求结构

硅片厂商作为最靠近上游的半导体原材料供应商,绝大多数情况下并不直接关联终端产品制造商。因此, 芯片、分立器件、传感器等下游需求的变动对硅片环节的传导有一定延迟,但对硅片未来趋势有指导意义。此 外,硅片厂商既有竞争也有合作,由于分工不同(如提供半成品或代工服务等)可能存在同业中上下游关系。

半导体材料专题报告:硅片,集成电路大厦之基石


芯片作为半导体领域最活跃且市场占比最大的应用,其发展方向往往决定硅片需求。芯片制程进步带来晶 体管密度成倍增加进而提升性能,但同时良率也随之下降,阻碍先进制程量产。另一方面,光刻机等设备成本 昂贵,短期内厂商难以降低芯片价格以获得商用价值。大尺寸硅片的出现是迎合先进制程良率低和成本高所做 出的选择。大硅片应用于前道工艺可带来稳定的出货量和较低的单位成本,制程提升越高所要求晶圆尺寸越大。

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每一制程阶段与晶圆尺寸相对应,部分制程在相邻尺寸的晶圆上也有产出。目前 6 英寸硅片基本用于低端 产品,8 英寸硅晶圆则主要应用于 90nm 以上的成熟制程,而 5nm 至 0.13μm 则采用 12 英寸晶圆,其中 28nm 为分界区分了先进制程与成熟制程,主要原因是 28nm 以后引入 FinFET 等新设计、新工艺,晶圆制造难度大大 提升。因此,下游芯片 28nm 制程可大致区分 8 英寸与 12 英寸的应用范围。随着量产制程达到 7nm 甚至更短距 离,18 英寸等更大尺寸的硅片有望在未来获得主流需求。

 12 英寸硅片为先进制程的主流方案。制程 20nm 以下的芯片性能强劲,主要用于移动设备、高性能计 算等领域,包括智能手机主芯片、计算机 CPU、GPU、高性能 FPGA、ASIC 等。制程 14nm-32nm 的 芯片则应用于 DRAM、NAND Flash 存储芯片、中低端处理器、影像处理器、数字电视机顶盒等产品。

 45-90nm 中高端产品中,12 英寸也逐渐成为首选。制程 45-90nm 的芯片主要用于性能略低,而对成本 和生产效率要求高的领域,例如手机基带、WiFi、GPS、蓝牙、NFC、ZigBee、NOR Flash、MCU 等。

 目前来看,8 英寸较 12 英寸在中端产品上更具成本优势而被更多采用。制程 90nm 至 0.15μm 主要应 用于 MCU、指纹识别芯片、影像传感器、电源管理芯片、液晶驱动 IC 等。

 0.18μm-0.25μm 制程芯片需求量最大,应用场景丰富,8 英寸硅片广泛应用于中低端产品。制程 0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存储如银行卡、SIM 卡等,0.35μm 以上主要为 MOSFET、IGBT 等功 率器件。

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下游半导体产品层次决定上游晶圆需求结构。全球集成电路产品销售额中,存储(Memory)芯片占比约 27.8%,逻辑(Logic)芯片占比 33%,微处理器芯片(Micro)和模拟电路(Analog)分别占 21.9%和 17.3%。 存储芯片主要包括 NAND(约 32%)和 DRAM(约 54%),平均售价远低于逻辑芯片,贡献最多晶圆需求,包 括 NAND、DRAM 在内用于存储市场的 12 英寸晶圆需求约占总需求 35%,8 英寸晶圆需求则约占总需求 27%。 用于逻辑芯片的 12 英寸晶圆需求约占 17%,中低端应用的逻辑芯片用 8 英寸次之。除集成电路外,分立元件 (Discrete)和传感器(Sensor)也提供少量需求。从近年来的增量来看,高端设备采用的逻辑芯片、DRAM 和 NAND 等存储芯片提供 12 英寸的主流需求,通讯(移动终端、基础设施)、物联网(IoT)、汽车电子等领域采 用的逻辑芯片提供 8 英寸的主流需求。

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全球半导体蓬勃发展,中国晶圆代工持续扩张,本土硅片需求迎来爆发

2019 年半导体市场略有下滑,2020 年有望恢复增长。根据 WSTS 的分类标准,半导体芯片主要可分为集 成电路、分立器件、传感器与光电子器件四种类别。其中,集成电路包括存储器、模拟芯片、逻辑芯片与微处 理器。2019 年,全球半导体销售额 4089.88 亿美元,其中,集成电路、光电子器件、分立器件和传感器销售额 分别为 3303.5 亿美元、410.56 亿美元、239.6 亿美元和 136.23 亿美元。

需求侧来看,目前手机、计算机等仍是半导体行业最大的应用市场。2018 年全球手机和基站、计算机用芯 片销售分别为 487 亿美元、280 亿美元,在半导体市场的占比分别为 36%、21%。200mm 及以下的抛光片与 SOI 硅片的需求主要由汽车电子市场规模的不断扩张而拉动。与此同时,工业电子需求同样拉动着对特定芯片及其 上游原材料的需求。根据 Gartner 的数据,工业电子 2017-2022 年期间五年复合增长率约达 12%,智能制造转型 是工业电子需求增长的主要动力。上述提及的汽车电子和工业电子作为增速最快的半导体应用领域,将成为未 来行业增长的主要下游驱动力。

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下游市场需求驱动,全球硅片市场增速稳定。分析过往的市场情况,我们可以发现半导体行业是典型的周 期性行业,与宏观经济密切相关。在 2017 年之前,全球半导体硅片行业经历了经济危机期间的低迷,智能手机 放量带来的反弹,以及全球经济缓慢复苏期间的低速发展。2017 年以来,受益于汽车电子、物联网等下游应用 高速发展带来的半导体需求,硅片市场增长提速,于 2018 年突破百亿美元大关。从 2019 年开始,中美贸易摩 擦给全球硅片市场带来波动,但目前已有所回暖,我们预期硅片国产替代将加速。

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全球半导体硅片最主流规格为 8/12 英寸,8 英寸市占率稳定,12 英寸占比持续上升。从 2011 年开始,8 英寸硅片市占率稳定在 25-27%之间。2016-2017 年间,全球 12 英寸硅片出货面积同比增长 14.68%,主要原因 是汽车电子、智能手机用指纹芯片、液晶显示器需求快速增长。2018 年,8 英寸硅片在已有基础上继续增长, 出货面积同比增长 6.25%,主要因为汽车电子、工业电子、物联网、功率器件、传感器等下游应用需求高速增 长。

12 英寸半导体硅片需求增加,出货面积不断上升。2008 年,12 英寸硅片出货量首次超过 8 英寸硅片;2009 年,12 英寸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 英寸硅片出货面积从 0.94 亿平方英寸扩大至 80.05 亿平方英寸,市场份额从 1.69% 大幅提升至 2018 年的 63.83%,成为半导体硅片市场最主流的产品。2016 至 2018 年,由于人工智能、区块链、 云计算等新兴终端市场的蓬勃发展,12 英寸半导体硅片出货面积年均复合增长率达到了 8.36%。

2019 年全球晶圆代工市场略有下滑,中国成晶圆代工唯一增长地区,产业转移趋势明显。根据 IC Insights 统计,受益于中国近年来 IC 设计公司的数量增长和规模扩张,中国晶圆代工企业业务规模有所扩大。2019 年, 受半导体下游需求端景气度影响,全球晶圆代工市场略有下滑,而中国大陆晶圆代工市场规模为 113.57 亿美元, 同比增长 6%,为全球所有地区中晶圆代工市场规模增速唯一为正的地区;美洲地区为 308.13 亿美元,同比下 降 2%;欧洲地区为 35.95 亿美元,同比下降 11%;日本为 29.87 亿美元,同比下降 13%。全球晶圆产能向中国 大陆转移趋势明显,这势必将带动中国市场对上游半导体材料,尤其是大尺寸硅片的需求。

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中国芯片制造产能增长迅速,拉动本土半导体硅片需求。近年来,芯片制造产业东迁,大陆芯片制造产能 在全球范围为最高,这也带动着中国对于半导体硅片的需求持续增长。SEMI 数据显示,2017-2020 年,全球 8 英寸芯片制造产能从 1985 万片/月增长至 2407 万片/月,年均复合增长率 6.64%;中国芯片制造产能从 276 万片 /月增长至 460 万片/月,年均复合增长率 18.50%。在中国大陆,主要的芯片制造厂商如中芯国际、华力微电子、 长江存储、华虹宏力等持续扩产,虽然目前 12 英寸芯片制造产能较 8 英寸较低,但预计 2020 年 12 英寸产能将 超过 8 英寸产能。

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供需与库存共同影响,大硅片进入涨价周期

扩产节奏无关短期供求关系,设备紧俏影响产能爬坡

在市场动态平衡中,下游需求和工艺成熟度并非影响供给的唯一逻辑,配套设备、投资回报率和确定性的 长期订单通常决定厂商的扩产节奏。新建大尺寸晶圆产线通常需要 18~24 月才可完工达产,客户的晶圆库存水 平也会影响实际需求量,投产大尺寸晶圆厂意味着中短期内较大的成本投入和经营风险。因此,我们认为,配 套设备、投资回报率和确定性的长期订单才是决定厂商扩产节奏的核心因素。

晶圆设备厂倾向投入利润更高、技术更先进的大尺寸晶圆设备,这与晶圆制造商的投产逻辑并非完全一致。 根据 SEMI 统计,2020 年全球 8 英寸晶圆厂预计有 189 个,而 2007 年为 199 家,国际大厂正逐步将重点转移到 12 英寸上,然而 8 英寸晶圆面临短缺,12 英寸供过于求的局面或将延续至 2021 年。我们观察到厂商扩产 8 英 寸晶圆的意愿随着 2018 年后 MEMS、功率器件需求的持续火热而回升,且 8 英寸设备成本较低,技术成熟, 但设备不足提升了扩产难度。大陆硅片厂扩产大多以 12 英寸为主,较少参与不具备优势的 8 英寸产线。

长期合同提供安全边际,高库存水平推迟反弹周期

LTA 有助于对冲供需波动风险。在价格和毛利率下降趋势中,仍有部分厂商不进行价格调整,并逆势进行 产线扩张。我们认为,各家晶圆厂商与顾客签订的长期合同(LTA,Long Term Agreement)不同程度地影响其 对未来投资回报的预期,厂商与客户缔结的 LTA 的比例越高,业务越具有稳定性。

近年来各家晶圆厂都与其客户缔结了 LTA,虽然合同内容有若干偏差,但还是以固定供货数量、供货价格 为客户提供晶圆。信越化学在 2019 年订单中,有 95%来自 LTA。日本 SUMCO 的子公司台湾环球晶圆主要与 客户缔结即期合同(Spot Contract),LTA 占集团公司整体的 80%以上,比例不及信越化学,但据预测以大客 户为中心的需求还会稳定增长。这两家企业均决定不对价格进行调整,未来甚至有调升定价可能。另一方面, 德国 Siltronic 等一部分厂商的 LTA 比例约在 50%以下,即期价格(Spot Price)下跌有可能导致业绩下滑。2018 年 10 月-12 月是各家晶圆厂商的业绩的顶峰时期,随后逐渐下跌,2019 年前三季度呈现疲软的趋势,对业绩的 影响以 LTA 所占比的不同而不同。LTA 比例较低的厂商不得不根据即期价格调整定价,竞争中处于被动地位。

另外,下游需求情况改善不会立即反应到上游硅片厂商的业绩提升,晶圆出货量回升周期滞后 1~2 个季度。晶圆代工客户均储存一定数量的硅片以满足持续生产,减少晶圆供给波动。硅片库存高企通常伴随着需求萎缩、 生产放缓及下游的观望态度。库存出货比是判断市场走势的重要指标,健康库存下硅片价格才能摆脱疲弱区间。

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大硅片供不应求,正进入新一轮涨价周期

8/12 英寸硅片需求激增,工艺制程持续提升,硅片价格水涨船高。2016-2019 年,半导体硅片单价从 0.67 美元/英寸上升至 0.94 美元/英寸,年均复合增长 11.95%。5G 等技术革新方兴未艾,大硅片价格可长期维持高位。 此外,先进制程不断发展,硅片价格越来越高。例如,12 寸 7nm 硅片价格是 90nm 的 4.5 倍。目前,中国新建 晶圆厂以 12 寸为主,同时中芯国际、华虹等正将制程从 28nm 转移到 16/14nm 制程,提升了整体硅片价格。

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海外龙头垄断市场,大硅片国产化势在必行

大硅片行业集中度高,被国际厂商垄断。全球硅片市场被世界前五大厂商所垄断,其中 2019 年全球大硅片 市场日本信越化学市场份额 29%、日本 SUMCO 集团市场份额 23%、中国台湾环球晶圆市场份额 16%、德国世 创 Siltronic AG 市场份额 12%、韩国 SK Siltron 市场份额 12%,前五大厂商总体市场占有率高达 92%。其中,仅 前两家日本企业所占全球份额就超过了 50%。中国大陆方面,沪硅产业和中环股份为国内硅片制造龙头,随着 近年来技术验证的逐渐突破以及国内硅片市场需求的逐步扩大,二者市场占比已超过 3%,未来发展空间广阔。

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硅片行业壁垒较高,客户验证至关重要。由于硅片处于整个半导体产业的最上游,也是唯一贯穿半导体产 业链每一道制程的关键材料,因此硅片质量会直接影响芯片的质量与良率,进而制约整个电子行业的发展。为 了保证芯片质量,一般硅片厂商都需接受下游芯片制造商严格的质量认证,一旦经过了认证,则会形成长期的 稳定合作关系。而硅片厂商往往需要长时间的技术与经验积累才能有效提升产品品质,满足客户需求,获得客 户认可。因此对于同行业竞争者而言,即便技术达标,下游客户的认证依旧是新兴硅片厂商所面临的隐性壁垒。

国内大硅片进口依赖严重,国产替代为当务之急。目前我国大陆企业在 4~6 英寸规格的硅片(含抛光片、 外延片等)产量基本可以满足国内晶圆厂的 4~6 英寸晶圆需求。但是在 8 英寸与 12 英寸的大尺寸硅片方面我国 的自供率仍然较低,特别是 12 英寸大硅片,几乎全部依赖于进口。未来随着硅片供需缺口进一步扩大,为保证 我国半导体芯片制造的基础原材料自主可控,国内有充足的市场需求去倒逼大硅片国产化进程加速。

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从需求端来看,8 英寸和 12 英寸晶圆需求目前占据硅片 90%以上市场份额,12 英寸硅片主要用于生产高端 设备采用的逻辑芯片、DRAM 和 NAND 等存储芯片,8 英寸硅片主要应用于通讯(移动终端、基础设施)、物 联网(IoT)、汽车电子等领域。2016 至 2018 年,由于人工智能、区块链、云计算等新兴终端市场的蓬勃发展, 12 英寸硅片需求持续增加,出货面积不断上升。在晶圆代工市场,2019 年全球晶圆代工市场略有下滑,中国成 晶圆代工唯一增长地区,随着中国半导体行业发展持续向好,必将带动中国市场对上游半导体材料,尤其是应 用于高端设备领域的 12 英寸硅片的需求。

从供给端来看,全球硅片市场被信越化学、SUMCO 集团、环球晶圆、世创 Siltronic AG、SK Siltron 五大 厂商所垄断,2019 年总体市场占有率高达 92%。本土厂商目前与海外厂商在工艺技术方面有一定的差距,总体 市场占有率不足 5%。国内大硅片进口依赖严重,目前我国大陆企业在 4~6 英寸规格的硅片(含抛光片、外延片 等)产量基本可以满足国内晶圆厂的 4~6 英寸晶圆需求。但是在 8 英寸与 12 英寸的大尺寸硅片方面我国的自供 率仍然较低,特别是 12 英寸大硅片,几乎全部依赖于进口。

当今国内半导体行业景气度持续上升,国内硅片供不应求,需求缺口持续扩大,硅片进口替代在当下贸易 争端加剧的国际环境下对中国大陆半导体行业有重大战略意义。随着政策助力和国家二期大基金的支持,硅片 国产替代趋势明显,本土硅片厂商有望持续受益。我们认为国产硅片制造厂商的技术水平同海外硅片龙头仍有 一定差距,且短期内难以撼动传统贸易关系中硅片龙头企业与台积电、三星、美光等大客户的长期合约及同盟 关系。但国产厂商中也出现一批实力较为突出的企业有望借助大尺寸硅片产能扩张及国家政策支持而突破目前市场格局。

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