干貨 | 半導體芯片設計-晶圓代工-封測三部曲產(chǎn)業(yè)鏈

集成電路是電子信息產(chǎn)業(yè)的基石，而IC設計作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上游，是最具發(fā)展活力和創(chuàng )新的重要環(huán)節，具有高投入、高風(fēng)險、高產(chǎn)出的特點(diǎn)。

近年來(lái)中國芯片設計產(chǎn)業(yè)在提升自給率、政策支持、規格升級與創(chuàng )新應用等要素的驅動(dòng)下，保持了高速成長(cháng)的趨勢。

根據SEMI數據，我國芯片設計行業(yè)保持了較快的增長(cháng)態(tài)勢，2020年我國芯片設計行業(yè)銷(xiāo)售額首次突破500億美元，全行業(yè)設計企業(yè)數量為2218家，同比增長(cháng)24.6%。

根據芯片的制造流程，分為主產(chǎn)業(yè)鏈和支撐產(chǎn)業(yè)鏈。

主產(chǎn)業(yè)鏈分為設計、制造和封測。其中，芯片設計是關(guān)鍵，芯片制造最難突破，芯片封測國內已經(jīng)發(fā)展到全球先進(jìn)水平。

支撐產(chǎn)業(yè)鏈包括IP、EDA、材料和設備。

芯片設計在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的上游頂端，行業(yè)公司具有較大的價(jià)值量，行業(yè)整體呈現出“小而美”的特征，是半導體產(chǎn)業(yè)鏈中賺錢(qián)的環(huán)節。整體毛利率都在30%以上，都屬于輕資產(chǎn)模式，固定資產(chǎn)周轉率及ROE水平處于相對較高位置。

其包含電路設計、版圖設計和光罩制作。設計方面的主要環(huán)節是電路設計，需要考慮多方面因素以及涉及多元知識結構。版圖設計和光罩制作可以借助計算機程序。

芯片設計主要由于芯片核心的底層架構（知識產(chǎn)權和技術(shù)壁壘）被掌握在少數廠(chǎng)商手中，專(zhuān)利費可能達到設計成本的50%以上。

芯片設計流程主要可分為前端設計（Front end）與后端設計（Backend），其中前端設計（也稱(chēng)為邏輯設計）主要涉及芯片的功能設計，后端設計（也稱(chēng)為物理設計）主要涉及工藝有關(guān)的設計，使其成為具備制造意義的芯片。

芯片設計和生產(chǎn)流程圖:

細分來(lái)看，設計從功能到布線(xiàn)基本分為五個(gè)步驟，在設計過(guò)程中涉及芯片硬件設計和軟件協(xié)同。

芯片設計流程包含RTL編寫(xiě)、功能驗證、邏輯綜合、形式驗證、DFT（Design for Testability）、布局布線(xiàn)、Sign Off、版圖驗證等多個(gè)流程。

上世紀80年代，電子行業(yè)出現了幾種新的分工模式，包括IDM模式、Fabless模式和Fundary模式。

在臺積電成立以前，半導體行業(yè)只有IDM一種模式。IDM模式的優(yōu)勢在于資源的內部整合優(yōu)勢，以及具有較高的利潤率。IDM（IntegratedDeviceManufacture）模式，即由一個(gè)廠(chǎng)商獨立完成芯片設計、制造和封裝三大環(huán)節，英特爾、三星和德州儀器是全球最具代表性的IDM企業(yè)。Fabless即無(wú)晶圓制造的設計公司，是指專(zhuān)注于芯片設計業(yè)務(wù)，只負責芯片的電路設計與銷(xiāo)售，將生產(chǎn)、測試、封裝等環(huán)節外包的設計企業(yè)，代表企業(yè)有高通、博通、英偉達、AMD等。Foundry即晶圓代工廠(chǎng)，指只負責制造、封測的一個(gè)或多個(gè)環(huán)節，不負責芯片設計，可以同時(shí)為多家設計公司提供服務(wù)的企業(yè)，代表企業(yè)有臺積電、中芯國際、格羅方德等。設計與制造的分工逐漸盛行，自身沒(méi)有工廠(chǎng)的Fabless設計公司和專(zhuān)門(mén)提供半導體生產(chǎn)服務(wù)的代工企業(yè)分工合作的生產(chǎn)方式慢慢地發(fā)展了起來(lái)。這種分工的好處是使得設計公司可以避免大規模的工廠(chǎng)投資，將更多精力聚焦在芯片設計方面，而代工企業(yè)憑借規模優(yōu)勢，在生產(chǎn)方面降低成本。日本的半導體企業(yè)則沒(méi)有采用這種設計和制造分工的方式，仍然堅持垂直一體化的生產(chǎn)方式。這樣做的結果是當銷(xiāo)售額減少的時(shí)候，由于前期的巨額投資，折舊費用依然龐大，導致企業(yè)利潤承壓，對后續的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成影響。

IC設計行業(yè)中少數巨頭企業(yè)占據了主導地位，其中美國IC設計行業(yè)處于領(lǐng)先地位。根據分析機構ICinsights發(fā)布全球前15大半導體公司在2021年第一季度的表現狀況顯示，前15大半導體企業(yè)中，營(yíng)收增長(cháng)最高的四位AMD（93%）、聯(lián)發(fā)科（90%）、高通（55%）、英偉達（51%）都是無(wú)晶圓IC設計廠(chǎng)商，第一季度營(yíng)收年增長(cháng)都超過(guò)了50%。國內半導體產(chǎn)業(yè)鏈上游芯片設計環(huán)節公司主要涉及的領(lǐng)域包括存儲芯片、射頻芯片、圖像傳感器芯片、生物識別芯片、模擬器件芯片、WiFi芯片等，以及功率芯片、電源控制芯片、功能控制芯片等多個(gè)領(lǐng)域。國內芯片設計總體來(lái)說(shuō)體量尚小，芯片設計企業(yè)與全球主要對標企業(yè)的營(yíng)收差距較大，大部分企業(yè)不到對標企業(yè)營(yíng)收規模5%。相比之下，國外細分領(lǐng)域的芯片設計龍頭公司收入基本都在上百億美金的水平。相關(guān)企業(yè)主要有華為的海思半導體、紫光展銳、北京豪威、中興微電子、華大半導體、匯頂科技、格科微、卓勝微、瑞芯微和兆易創(chuàng )新等。通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈上下游配合，國內芯片設計領(lǐng)域的細分龍頭已經(jīng)開(kāi)始逐漸能夠滿(mǎn)足國內客戶(hù)的部分替代性供應，這將給這些細分龍頭帶來(lái)較好的成長(cháng)機遇和較大的市場(chǎng)空間。

自2020年下半年以來(lái)，晶圓代工產(chǎn)能持續緊張，在驅動(dòng)IC和功率器件等需求刺激下，主要晶圓代工產(chǎn)能利用率均超過(guò)95%，維持較高位置。
一方面是因為行業(yè)一直處于供不應求的狀態(tài)，而且已經(jīng)持續了約一年時(shí)間。另一方面，華為禁令效應也在客觀(guān)上起到了促進(jìn)作用。近期，全球幾大晶圓代工廠(chǎng)將今年二季度代工價(jià)較上一季度再次上調10-20%，整體漲幅與第一季度相似。但從個(gè)別合同來(lái)看，部分代工價(jià)漲幅高達50%。即便是所有晶圓代工廠(chǎng)的產(chǎn)線(xiàn)都處于滿(mǎn)載狀態(tài)，也加大了付運晶圓的數量，當下的產(chǎn)能緊缺情況依舊難以緩解，而其中8英寸晶圓代工廠(chǎng)產(chǎn)能最為緊張。晶圓制造是半導體產(chǎn)業(yè)最關(guān)鍵、市場(chǎng)份額最大的核心環(huán)節。
主要以晶圓為原材料，將光掩模上的電路圖形信息大批量復制到晶圓上，并在晶圓上大批量形成特定集成電路結構的過(guò)程，其技術(shù)含量高、工藝復雜，在芯片生產(chǎn)過(guò)程中處于至關(guān)重要的地位。20世紀60年代中后期，隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)規模的擴大和工業(yè)技術(shù)的提升，專(zhuān)業(yè)化分工的優(yōu)勢逐步顯現，于是集成電路制造設備業(yè)、材料業(yè)逐漸從IDM分離，作為輔助支撐行業(yè)發(fā)展起來(lái)。20世紀80年代，隨著(zhù)制造工藝水平的提高，集成電路的產(chǎn)線(xiàn)建設、工藝研發(fā)及人才和資本需求不斷增加，多數IDM不愿或無(wú)力承擔巨額投入所帶來(lái)的風(fēng)險，于是只專(zhuān)注于集成電路芯片制造的企業(yè)興起。隨著(zhù)先進(jìn)光刻技術(shù)、3D封裝技術(shù)等不斷涌現，各種先進(jìn)工藝不斷改進(jìn)和完善，集成電路已由本世紀初的0.35微米的CMOS工藝發(fā)展至納米級FinFET工藝，同時(shí)，作為集成電路的襯底，晶圓的直徑已經(jīng)由最初的6英寸、8英寸增長(cháng)到現在的12英寸。8英寸晶圓主要用于成熟制程及特種制程，主要用于需要特征技術(shù)或差異化技術(shù)的產(chǎn)品，包括功率芯片、圖像傳感器芯片、指紋識別芯片、MCU、無(wú)線(xiàn)通信芯片等，涵蓋消費電子、通信、計算、工業(yè)、汽車(chē)等領(lǐng)域。12英寸晶圓則主要用于制造CPU、邏輯IC和存儲器等高性能芯片，在PC、平板電腦和移動(dòng)電話(huà)等領(lǐng)域應用較多。

集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的專(zhuān)業(yè)化分工趨勢使得純晶圓代工市場(chǎng)規模逐年擴大，全球晶圓制造市場(chǎng)快速增長(cháng)。據公開(kāi)數據顯示，2021一季度全球前十大晶圓代工廠(chǎng)營(yíng)收約228.9億美元，同比增速20.7%。根據Trendforce的預測，在芯片市場(chǎng)景氣周期的背景下，2021年全球芯片代工產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規模有望達到945億美金，同比增長(cháng)11%。

晶圓代工是典型的寡頭壟斷型行業(yè)，技術(shù)、人才、資本缺一不可。且代工技術(shù)迭代快，馬太效應明顯。從市場(chǎng)格局來(lái)看，2020年全球市場(chǎng)前五的晶圓代工市占率達90%，臺積電以56%的市場(chǎng)占有率處于絕對領(lǐng)先的地位，三星和聯(lián)電分列第二、第三，大陸廠(chǎng)商中芯國際暫列第五。在目前臺積電的邏輯技術(shù)中，最先進(jìn)制程已從7nm交棒給5nm，很快將由3nm繼承。相較于5nm制程，3nm制程速度增快15%，功耗降低30%，邏輯密度增加70%。3nm將持續采用FinFET結構，計劃于2022年下半年在晶圓18廠(chǎng)量產(chǎn)，“將成為世界上最先進(jìn)的技術(shù)”。2020年臺積電資本開(kāi)支為186億美金，2021年可達到300億美金，預計3年內總投資將達1000億美元。SEMI的數據顯示，2017-2020年間全球投產(chǎn)的半導體晶圓廠(chǎng)為62座，其中有26座設于中國大陸，占全球總數的42%。并預計從2020年到2024年至少新增38個(gè)12英寸晶圓廠(chǎng)。

國內12英寸晶圓制造廠(chǎng)產(chǎn)品主要包括兩大方向，一方面為主攻先進(jìn)制程代工和特色工藝的晶圓廠(chǎng)，包括中芯國際、華虹、粵芯等；另一方向主要是以存儲晶圓制造為主攻方向的晶圓廠(chǎng)，包括長(cháng)江存儲、合肥長(cháng)鑫、福建晉華、武漢新芯等。中芯國際擁有3座8英寸晶圓廠(chǎng)和5座12英寸晶圓廠(chǎng)（含合資控股），遍布北京、天津、上海等地。華虹集團擁有3座8英寸晶圓廠(chǎng)和3座12英寸晶圓廠(chǎng)，8英寸晶圓廠(chǎng)月產(chǎn)能約18萬(wàn)片，12英寸晶圓月產(chǎn)能約4萬(wàn)片，位于上海和無(wú)錫。同時(shí)華潤微電子、上海先進(jìn)（積塔半導體）、士蘭微等公司擁有8英寸晶圓廠(chǎng)，武漢新芯和粵芯半導體等公司只有12英寸晶圓廠(chǎng)。領(lǐng)先廠(chǎng)商通過(guò)提前量產(chǎn)獲取訂單，分攤工廠(chǎng)折舊，進(jìn)而繼續研發(fā)下一代工藝，使得后進(jìn)廠(chǎng)商在先進(jìn)制程工藝上的投資低于預期回報而放棄競爭，以此擴大市場(chǎng)份額、形成壁壘。

目前領(lǐng)先工藝（5nm+7nm）占據25%左右的市場(chǎng)份額，主要用于CPU、GPU等超大規模邏輯集成電路的制造。3nm技術(shù)有望在2022年前后進(jìn)入市場(chǎng)。全球前十大晶圓代工廠(chǎng)商均在積極布局先進(jìn)制程。當前5nm及更先進(jìn)制程僅有臺積電和三星兩個(gè)頭部玩家，格羅方德和聯(lián)華電子因市場(chǎng)競爭激烈、資本開(kāi)支過(guò)大已退出14/12nm以下制程開(kāi)發(fā)，專(zhuān)注于現有成熟制程，英特爾位于10nm+制程（與臺積電7nm性能接近），更低制程由于投入過(guò)大進(jìn)度也趨緩。中芯國際因此在先進(jìn)制程方面競爭對手減少，資本開(kāi)支方面從2017年開(kāi)始也超越了聯(lián)電，中芯國際正加速追趕頭部玩家。為建設5nm產(chǎn)線(xiàn)，2020年臺積電計劃全年資本性支出高達184億美元。先進(jìn)制程不僅需要巨額的建設成本，而且也提高了設計企業(yè)的門(mén)檻，根據IBS的預測，3nm設計成本將會(huì )高達5-15億美元。各公司未來(lái)技術(shù)節點(diǎn)的預測:國外瓦納森協(xié)議以及對于華為的制裁體現了在國內形成自主可控的半導體產(chǎn)業(yè)鏈的重要性，半導體制造是產(chǎn)業(yè)鏈中最關(guān)鍵的一環(huán)，未來(lái)芯片代工領(lǐng)域馬太效應會(huì )愈加明顯。隨著(zhù)臺積電等晶圓廠(chǎng)龍頭開(kāi)啟新一輪擴產(chǎn)周期、技術(shù)升級、晶圓產(chǎn)能向大陸轉移以及國內政策的大力支持，產(chǎn)業(yè)鏈有望迎來(lái)新一輪景氣周期。

封測行業(yè)位于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈末端，是勞動(dòng)密集型行業(yè)。作為我國半導體領(lǐng)域優(yōu)勢最為突出的子行業(yè)，在當前國產(chǎn)半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，國產(chǎn)化程度最高、行業(yè)發(fā)展最為成熟。
相對半導體設計、制造領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，技術(shù)壁壘、對人才的要求相對較低，是國內半導體產(chǎn)業(yè)鏈與國外差距最小環(huán)節。

目前國內封測市場(chǎng)在全球占比達 70%，行業(yè)的規模優(yōu)勢明顯，更多是通過(guò)資源整合和規模擴張來(lái)推動(dòng)市占率的提升。隨著(zhù)上游的芯片設計公司選擇將訂單回流到國內，大批新建晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能的釋放以及國內主流代工廠(chǎng)產(chǎn)能利用率的提升，晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)能擴張也勢必蔓延至中下游封裝廠(chǎng)商，將帶來(lái)更多的半導體封測新增需求。

封裝測試位于半導體產(chǎn)業(yè)鏈的中下游，包括封裝和測試兩個(gè)環(huán)節。根據Gartner測算，封裝和測試在整個(gè)封測流程中的市場(chǎng)份額占比約為80%~85%和15%~20%。封裝是對制造完成的晶圓進(jìn)行劃片、貼片、鍵合、電鍍等一系列工藝，以保護晶圓上的芯片免受物理、化學(xué)等環(huán)境因素造成的損傷，增強芯片的散熱性能，以及將芯片的I/O端口引出的半導體產(chǎn)業(yè)環(huán)節。

封裝本質(zhì)上是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中賺錢(qián)最難的行業(yè)，需要通過(guò)不斷加大投資來(lái)賺取每一塊錢(qián)上的邊際增量，技術(shù)門(mén)檻低，規模效應使得龍頭增速快于小企業(yè)。當前封裝仍然是一個(gè)處于不斷增長(cháng)中的增量市場(chǎng)，先進(jìn)封裝是增量主要來(lái)源。

在后摩爾定律時(shí)代，芯片制程的特征尺寸逐漸接近物理極限，以SiP、3D堆疊等為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)成為延續摩爾定律的途徑之一，由此帶動(dòng)封裝在電子系統內的功能定位逐步升級。測試是保障成品質(zhì)量穩定、控制系統損失的關(guān)鍵工藝。

測試主要是對芯片、電路等半導體產(chǎn)品的功能和性能進(jìn)行驗證的步驟，其目的在于將有結構缺陷以及功能、性能不符合要求的半導體產(chǎn)品篩選出來(lái)，以確保交付產(chǎn)品的正常應用。集成電路封裝技術(shù)的演進(jìn)主要為了符合終端系統產(chǎn)品的需求，為配合系統產(chǎn)品多任務(wù)、小體積的發(fā)展趨勢，集成電路封裝技術(shù)的演進(jìn)方向即為高密度、高腳位、薄型化、小型化。技術(shù)上的局限本質(zhì)上決定了封測企業(yè)的R&D不高同時(shí)，封測企業(yè)技術(shù)可以通過(guò)IDM授權獲得因此相對來(lái)說(shuō)封測R&D占比不高也會(huì )決定進(jìn)入壁壘不高但國內企業(yè)的R&D占比顯著(zhù)高于海外，tier1還是占據規模優(yōu)勢。

封測企業(yè)率先躋身全球集成電路產(chǎn)業(yè)鏈分工，充分享受全球半導體行業(yè)增長(cháng)帶來(lái)的行業(yè)紅利。全球集成電路企業(yè)主要分為兩類(lèi)，一種是涵蓋集成電路設計、制造以及封裝測試為一體的垂直整合型公司（IDM公司），例如三星、英特爾、海力士等獨立專(zhuān)業(yè)化的公司。另外一種則是將IDM公司進(jìn)行拆分形成獨立的公司，可以分為IC設計公司、晶圓代工廠(chǎng)及封裝測試廠(chǎng)，全球知名封裝測試廠(chǎng)包括安靠、日月光、長(cháng)電科技、通富微電等。


中國封裝業(yè)起步早、發(fā)展快，但目前仍以傳統封裝為主。雖然近年中國本土先進(jìn)封測四強（長(cháng)電 、通富 、華天 、晶方 ）通過(guò)自主研發(fā)和兼并收購，已基本形成先進(jìn)封裝的產(chǎn)業(yè)化能力。根據TrendForce數據，2020年二季度本土廠(chǎng)商長(cháng)電/華天/通富分別以13.4%/6.4%/5.7%的市占率位居全球封測市場(chǎng)的第三/第六/第七。

長(cháng)電科技具有廣泛的技術(shù)積累和產(chǎn)品解決方案，包括有自主知識產(chǎn)權的Fan-outeWLB、WLCSP、Bump、PoP、fcBGA、SiP、PA封裝等領(lǐng)先技術(shù)。業(yè)務(wù)覆蓋國際、國內眾多高端客戶(hù)，全球前二十大半導體公司中有85%為公司客戶(hù)。華天科技正在逐漸形成天水，西安，昆山三線(xiàn)發(fā)展的格局。三地定位不同，也沒(méi)有重復的客戶(hù)，針對不同客戶(hù)需求，發(fā)展各自的拳頭產(chǎn)品，形成協(xié)同效應。西安的QFN和BGA產(chǎn)線(xiàn)處于鼎盛時(shí)期，而昆山是公司發(fā)展的重點(diǎn)，未來(lái)的增速也將是最快的。

華天科技的核心客戶(hù)包括FPC、匯頂、展訊、MPS、PI、SEMTECH、ST等。
通富微電已在崇川、南通、合肥、廈門(mén)、蘇州、馬來(lái)西亞檳城六地擁有包括Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先進(jìn)封裝技術(shù)。

根據公司2020年中報，通富已與國內包括中興微電子、聯(lián)發(fā)科、展銳、匯頂科技、卓勝微、兆易創(chuàng )新、博通集成、韋爾科技等半導體知名企業(yè)順利推進(jìn)新品研發(fā)，同時(shí)大力拓展日韓及歐洲市場(chǎng)并深耕三星、羅姆、三墾、索喜科技、松下、AMS、Nordic、Dialog等企業(yè)。近幾年的并購經(jīng)歷讓中國封測企業(yè)快速發(fā)展，得到了技術(shù)和市場(chǎng)，但由于中美貿易戰的影響以及可選并購標的減少，中國封測行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向將是：自主研發(fā)+國內整合。封測行業(yè)毛利率均值20%，對比代工業(yè)，方差波動(dòng)小，技術(shù)的演進(jìn)無(wú)法顯著(zhù)提升毛利水平。封測業(yè)更多通過(guò)規模和資源的推動(dòng)市占率提升，技術(shù)不是絕對壁壘，后來(lái)者有機會(huì )分享蛋糕。
隨著(zhù)先進(jìn)節點(diǎn)走向10nm、7nm、5nm，研發(fā)生產(chǎn)成本持續走高，良率下降，摩爾定律趨緩，半導體行業(yè)逐漸步入后摩爾時(shí)代。目前封測行業(yè)正在經(jīng)歷從傳統封裝（SOT、QFN、BGA等）向先進(jìn)封裝（FC、FIWLP、FOWLP、TSV等）的轉型。先進(jìn)封裝技術(shù)不僅可以增加功能、提升產(chǎn)品價(jià)值，還有效降低成本，成為延續摩爾定律的關(guān)鍵。作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈不可缺少的一部分，半導體封測得益于對更高集成度的需求，隨著(zhù)5G應用、AI、IoT等新興領(lǐng)域的驅動(dòng)，市場(chǎng)規?？焖贁U大，我國封測行業(yè)仍然有望保持高增長(cháng)。來(lái)源：ittbank