(報告出品方/作者:五礦證券,王少南、金凱笛)
從估值角度來看,2020 年 7 月以來電子行業(yè)估值總體呈下行趨勢,2022 年 10 月至今略有回 升。行業(yè)整體估值處于近兩年底部位置,由于國內疫情反復,2022 年 4 月下旬達到近兩年 PE (TTM)最低值。當前,電子行業(yè)市盈率(TTM)為 28.66 倍,低于過去十年平均值(47.55 倍),低于過去五年平均值(37.21 倍),也低于過去兩年平均值(34.52 倍)。對比滬深 300、上證綜指與電子行業(yè)近十年數據,滬深 300 指數總體高于電子行業(yè),但近年 來差距逐漸縮??;上證綜指在 2012 至 2016 年總體高于電子行業(yè),但 2019 年三季度以來被 電子行業(yè)反超,且在 2019 年末至 2021 年末差距逐漸拉大。2022 年,電子行業(yè)各板塊跌幅較大,回調較深。分業(yè)務板塊來看,申萬二級電子行業(yè)指標中, 消費電子 / 光學光電子 / 半導體 / 元 件 / 電子化學品 / 其 他 電 子 板 塊 分 別 下 跌 40.44%/37.04%/37.11%/33.10%/24.17%/20.92%。光學光電子方面,面板下跌 33.50%,LED 下跌 42.04%,光學元件下跌 39.20%。半導體方面,分立器件/半導體材料/數字芯片設計/模 擬芯片設計 / 集 成 電 路 封 測 / 半 導 體 設 備 跌 幅 分 別 為 29.77%/32.55%/42.75%/37.94%/25.82%/31.84%。元件方面,印刷電路板下跌 31.80% ,被 動元件下跌 34.83%。我們認為行業(yè)下跌主要在于美聯儲加息、俄烏沖突、疫情反復等多因素影響下,消費電子等下游需求疲軟,庫存水位較高,行業(yè)景氣度下行,制約了元器件、半導 體、PCB 等上游產品需求。展望 2023 年,我們認為隨著美聯儲加息節(jié)奏放緩,中國疫情政 策優(yōu)化,行業(yè)有望于 2023Q2 開始企穩(wěn)回暖,上游行業(yè)有望復蘇。
根據信號的不同,EDA 設計工具可以進一步分為模擬電路設計 EDA 和數字電路設計 E DA。 模擬電路設計 EDA 主要針對電源管理芯片或信號鏈芯片等的電路設計;數字電路設計 EDA 主要面向 MCU、CPU、GPU 等芯片的電路設計。數字電路與模擬電路在信號表示、器件狀 態(tài)、研究對象、基本單元電路、分析工具方面各有不同。數字電路處理的信號是數字信號,其 時間變量是離散的;而模擬電路處理的信號是模擬信號,其時間變量是連續(xù)的。其次,在信號 的表示上,數字信號常用二進制數來代表相互對立的兩種狀態(tài),具體體現為矩形脈沖,但模 擬信號則用一系列連續(xù)變化的電磁波或電壓信號來表示。 相較于模擬芯片,數字芯片設計需要更豐富的 EDA 工具。盡管數字芯片與模擬芯片在設計流 程都基本圍繞“計劃—設計—仿真—驗證”四大環(huán)節(jié),但是數字芯片設計的自動化程度 和流程復雜度遠高于模擬芯片,需要更加豐富的 EDA 工具。從自動化程度來看,數字電路只涉及到“0”、“1”信號,僅需考慮時序、功耗和面積等少量 優(yōu)化因素,但模擬電路涉及到復雜的信號環(huán)境,并存在噪聲、失真、電壓擺幅等多個優(yōu)化因 素,需要更多人工干預取舍,因此數字芯片設計相較于模擬芯片設計更容易實現自動化,對 應來說,EDA 工具在數字芯片設計過程中參與度更高。 從復雜度來看,數字芯片設計流程更復雜、規(guī)模更大,因此對 EDA 工具產品豐富度要求更高。 1975 年以來,摩爾定律強調單位面積芯片上的晶體管數量每兩年翻番,這對數字芯片的設計 和制造提出了更高的規(guī)模、工藝和更迭速度要求。從晶體管集成規(guī)模和芯片制程上來看,在 數字芯片方面,蘋果迄今打造的最大面積芯片 M1 Max 采用 5nm 制程工藝,封裝晶體管數 570 億個。而在模擬芯片方面,模擬芯片使用的制程主要采用 0.18μm/0.13μm,部分工藝使 用 28nm,其特點是非尺寸依賴,更多要求的是工藝、器件、電路設計的反復迭代。從迭代速 度來看,數字芯片生命周期為 1-2 年,而模擬芯片的生命周期一般在 5 年以上。 綜上,對 EDA 工具使用者來說,數字芯片設計的學習門檻相對較低,且在設計流程上更能實 現團隊作戰(zhàn)、流水線生產,因此從供應和需求兩方面來看數字芯片設計的從業(yè)者群體規(guī)模更 大,即對應的 EDA 工具需求量更大。在電路設計過程中,每個設計步驟需要一個或多個 EDA 工具進行設計、仿真或驗證。數字電 路設計包含功能設計、邏輯綜合、物理實現以及電路與版圖分析驗證等過程,并以門級網表 的產生為界,通常分為數字前端和數字后端兩部分。數字前端設計流程從設計需求說明開始, 再用硬件描述語言(HDL,Hardware Description Language)對電路以寄存器級傳輸為基礎 進行描述,實現對芯片功能的編碼;對于該步驟,通過仿真工具對編碼進行功能仿真,檢驗設 計代碼的正確性;然后通過邏輯綜合(Logic Synthesis)將 RTL 級描述轉化為門級表達,經過靜態(tài)時序仿真(STA,Static Timing Analysis)和門級仿真(Gate Simulation)以后,進行 DF T 驗證。數字后端設計流程負責將前端設計生成的門級網表實現為可生產的物理版圖。通過自 動布局布線工具將門級網表中使用到的各種單元和宏模塊在版圖上進行合理擺放、連接,形 成布局布線后的門級網表和版圖;對布局布線后的版圖進行檢查驗收(Signoff,具體包括如 寄生參數提取、時序分析和優(yōu)化、物理驗證,邏輯等效檢查)等工作,確認設計不存在功能和 物理規(guī)則上的問題后進行版圖集成,形成最終交付晶圓代工廠流片、生產的版圖。模擬電路的設計從原理圖設計開始,原理圖包含抽象化的器件符號及連線。為了確保電路工 作正確,設計師需要用到電路仿真工具來模擬電路的功能、性能等,并根據仿真的結果不斷 優(yōu)化電路設計。電路仿真完成后,芯片設計進入版圖設計環(huán)節(jié),版圖設計主要包括版圖的布 局和布線——設計師需要通過版圖設計工具將每個器件放置到合適位置,并用圖形將各個器 件進行正確的連接。版圖設計完成后,設計師需要對物理版圖進行物理驗證,以確保版圖與 原理圖一致并且符合晶圓制造的要求。完成物理驗證后,設計師還需對版圖進行寄生參數提 取,產生包含寄生參數的后仿真電路網表,并進行版圖后仿真及分析,比如對壓降和電流密 度等進行可靠性分析。
根據產品構成來看,EDA 工具被分為五大類:硅知識產權(SIP,Semiconductor Intellectual Property)、仿真模擬工具(CAE,Computer-Aided Engineering)、集成電路物理設計與驗證 工具(IC Physical Design and Verification)、PCB & MCM(Printed Circuit Board and MultiChip module)工具以及服務收入。 SIP 是指已驗證、可復用、具有某種確定功能的集成電路模塊,能夠作為新設計的一部分向其 他人提供商業(yè)上的可用性。在芯片設計過程中,通過使用改電路模塊設計軟件塊,從而減少 設計工作量,縮短設計周期,提高芯片設計的成功率。仿真模擬工具(CAE)包括電子系統(tǒng)級 設計工具(electronic system level, ESL)、綜合驗證工具(Synthsis and Verification)、設計 輸入工具、邏輯驗證工具、形式化驗證等,其功能與通用的 CAE 軟件具有原理與功能上的相 似性。集成電路物理設計與驗證工具(IC Physical Design and Verification)支持在單元(cell)、塊 (block) 和全芯片(chip)等級別上的數字、模擬和數?;旌闲盘栐O計的物理實現。它還提供 了通過嵌入式物理驗證工具進行物理設計調試和驗證的支持。此外,它可以加載第三方驗證 錯誤文件,并在布局和原理圖上顯示違規(guī)情況。 PCB & MCM(Printed Circuit Board and Multi-Chip module)工具包括 PCB 原理圖輸入, PCB 分析,IC 封裝分析,PCB 仿真模擬,PCB 物理設計,IC 封裝物理設計等。其中,印制 電路板(PCB)是由玻璃纖維、復合環(huán)氧樹脂或層壓材料制成的薄板,用于固定和連接電子 設備中的機械和電子組件;多芯片組件(MCM)是指多個集成電路芯片電連接于共用電路基 板上,并利用它實現芯片間互連的組件。2.1.2 全球 EDA 市場規(guī)模穩(wěn)步增長全球 EDA 軟件市場規(guī)模呈加速增長態(tài)勢。根據 ESD Alliance 數據顯示,2022 年上半年,全 球 EDA 軟件市場規(guī)模為 72.89 億美元,較 2021 年上半年同比增長 14.82%;2021 全球 EDA 軟件市場規(guī)模為 132.75 億美元,同比增長 14.76%;2016-2021 年 EDA 軟件市場規(guī)模 CAG R 為 9.27%,2011-2021 年 EDA 軟件市場規(guī)模 CAGR 為 8.04%。EDA 軟件作為半導體行業(yè)上 游,市場規(guī)模變化與下游集成電路市場景氣度息息相關。2007-2021 年間,集成電路行業(yè)的 市場規(guī)模同比變化趨勢與 EDA 行業(yè)基本保持一致,但變化幅度較大。2021 全球集成電路市 場規(guī)模為4630億美元,同比增長 28.18%,2016-2021年集成電路市場規(guī)模 CAGR為 10.84%,2011-2021 年集成電路市場規(guī)模 CAGR 為 6.48%。
中國 EDA 行業(yè)處于高速增長期,中國集成電路行業(yè)高景氣加速 EDA 產業(yè)發(fā)展。據中國半導 體行業(yè)協(xié)會(CSIA)數據顯示,2020年中國EDA 行業(yè)市場規(guī)模為93.1億元,同比增長 27.71%, 遠高于同年全球 EDA 市場規(guī)模 13.23%的同比增速。據 CISA 預測,2025 年中國 E DA 市場 規(guī)模為 184.9 億元,2020-2025 年,中國 EDA 市場規(guī)模 CAGR 為 14.7%,處于加速發(fā)展期。 2020 年中國集成電路市場規(guī)模為 8848 億元,同比增長 17%;2021 年中國集成電路市場規(guī) 模為10996億元,同比增長 24.28%;2016-2021年,中國集成電路市場規(guī)模 CAGR為 20.4 6%, 高于全球集成電路市場規(guī)模增速。分產品結構看,2007-2021 年,SIP 市場份額提升明顯,CAE/IC 物理設計和驗證/PCB&MCM/ 服務市場份額較為穩(wěn)定。根據電子系統(tǒng)設計聯盟(ESD Alliance)數據顯示,2021 年, SIP/CAE/IC 物理設計和驗證 /PCB&MCM/ 服 務 ,五大類 EDA 工具收入分別為 50.06/41.08/25.01/12.06/4.55 億美元,同比增長 23.95%/12.20%/7.01%/15.02%/43. 12%, 占 2021 年 EDA 市場規(guī)模的 37.71%/30.95%/18.84%/9.08%/3.43%;2022 年上半年,五大 類 EDA 工具收入分別為 28.53/22.56/12.88/6.40/2.52 億美元,較 2021 年上半年同比增長分 別為 14.82%/23.09%/13.42%/1.91%/11.65%/22.98%,分別占 2022 年上半年全球 EDA 市場 規(guī)模的 39.14%/30.94%/17.67%/8.79%/3.46%。截至 2022 年上半年,美洲地區(qū)為全球 EDA 最主要需求區(qū)域,亞太地區(qū)是 EDA 市場規(guī)模增 長的主要來源。根據 ESD Alliance 數據,2022 年上半年,美洲地區(qū)購買 EDA 產品和服務 31.66 億美元,同比增長 19.36%,占比 43.43%;歐洲/中東/非洲地區(qū)購買 EDA 產品和服務 9.06 億美元,同比增長 5.08%,占比 12.4%;日本購買 EDA 產品和服務 5.16 億美元,同比 增長 3.85%,占比 7.1%;亞太地區(qū)(不含日本)購買 EDA 產品和服務 27.01 億美元,同比 增長 15.56%,占比 37.1%。比較全球近 5 年和近 10 年年均復合增長率,亞太地區(qū)(不含日本)增長最快,過去 5 年年均復合增長率為 12.73%,過去 10 年年均復合增長率為 13. 38%。
2.1.3 三巨頭壟斷下的全球 EDA 市場競爭格局EDA 行業(yè)集中度高,三巨頭壟斷優(yōu)勢明顯。按照收入規(guī)模劃分,當前全球 EDA 企業(yè)主要分為 三個梯隊:1)Cadence、Synopsys 和 Siemens EDA 三者憑借全流程 EDA 工具居于壟斷地 位,穩(wěn)居第一梯隊,約占全球市場營收的 75%;2)Ansys、Silvaco、Aldec、ZUKE N、華大 九天等,在市場耕耘較長時間,擁有部分全流程工具和部分特色點工具,居于第二梯隊,約占 全球市場營收的 15%;3)國內大部分擁有部分仿真驗證點工具的 EDA 公司主要集中在第三 梯隊,如概倫電子、廣立微、國微思爾芯、芯愿景等,約占全球市場營收的 7%。EDA 行業(yè)發(fā)展 40 年來,“三足鼎立”格局逐步穩(wěn)固。1984-2021 年,Synopsys、Cadenc e 和 Mentor Graphics 三家企業(yè)的合計營收從 11%提升至 75%。2021 年,Synopsys 營收 42.04 億美元,較上年同比增長 14.08%,約占全球市場份額的 32%,過去 10 年營收年均復合增長 率為 10.60%。Cadence 營收 29.88 億美元,較上年同比增長 13.37%,約占全球市場份額的 23%,過去 10 年營收年均復合增長率為 10.02%。Mentor Graphics 于 2017 年 3 月,被西門 子以 45 億美元收購,并加入了西門子的 PLM 軟件部門。根據 TrendForce 于 2022 年 8 月發(fā)布的 EDA 軟件報告顯示,2021 年,Siemens EDA 約占據全球 13%的市場份額,由此推測出 2021 年 Siemens EDA 2021 年營收約為 17.25 億美元,過去 10 年營收年均復合增長率約為 5.45%。三巨頭在實現 EDA 工具全流程覆蓋的同時,憑借其強項各占一隅。Synopsys、Cadence、 Siemens EDA 三家巨頭提供的EDA 工具覆蓋半導體產業(yè)鏈所有環(huán)節(jié),且各自擁有拳頭產品, 并與全球領先半導體企業(yè)合作;Synopsys 主攻數字芯片設計、靜態(tài)時序驗證確認以及 S IP 產 品,長期與臺積電、英特爾、三星、Ansys、是德科技等客戶合作;Cadence 主攻模擬/數模 混合平臺、數字后端、DDR4 IP 等,長期與臺積電、FDXcelerator、Global Foundries、ARM 等客戶合作;Siemens EDA 主攻后端驗證、可測試性設計、光學臨近修正等環(huán)節(jié),長期與臺 積電、ARM、XILINX、AMD 等客戶合作。兼并收購是 EDA 行業(yè)寡頭壟斷局面形成的重要因素,也是 EDA 三巨頭持續(xù)推陳出新的重要 動力來源。EDA 企業(yè)通過兼并收購能夠快速獲得互補產品,并與已有的 IC 設計工具串聯,不 斷完善產品矩陣,提供更加完備的解決方案,并將潛在挑戰(zhàn)者扼殺在萌芽狀態(tài),進而進一步 鞏固壟斷地位。其次,兼并收購能夠通過多元化經營的方式分散風險,例如 Synopsys 和 Cadence 的 SIP 業(yè)務一定程度上跳脫了 EDA 工具軟件,以增加經營項目的方式實現增收, 且有利于促進 EDA 產品與集成電路設計、制造之間的關聯。
“自研+并購”的結合是 EDA 企業(yè)有效整合資源,迅速補齊短板的重要手段。高額的研發(fā)投 入是 EDA 軟件技術進步的重要保障,也是頭部 EDA 軟件企業(yè)保持市場競爭力的關鍵。 Cadence 和 Synopsys 研發(fā)費用率長期保持在 30%以上,Siemens EDA 原身為 Mentor Graphics,在 2016 年被西門子收購后,不再公開具體研發(fā)投入數據,但根據 2006 年至 2016 年數據可知,Mentor Graphics 的研發(fā)費用率也長期保持在 30%以上。2021 年中國華大九天、 概倫電子、廣立微等部分 EDA 企業(yè)研發(fā)費用率也保持在 30%以上,但由于在營收規(guī)模上存 在差距,中國 EDA 企業(yè)在研發(fā)費用上仍顯不足。2021 年,Synopsys 研發(fā)費用投入為 15.05 億美元,研發(fā)費用率為 35.79%;Cadence 研發(fā)費用投入為 11.34 億美元,研發(fā)費用率為 37.96%;華大九天研發(fā)費用為 3.05 億元,研發(fā)費用率為 52.57%;概倫電子研發(fā)費用為 0.79 億元,研發(fā)費用率為 40.99%;廣立微研發(fā)費用為 0.65 億元,研發(fā)費用率為 33.05%。2.1.4 美國政策趨嚴,EDA 國產替代加速美國對面向中國出口 EDA 產品的政策趨嚴。21 世紀以來,美國政府對中國在 EDA 領域共發(fā) 起三次出口管制,管制手段從個別企業(yè)擴大到面向先進制程的所有中國企業(yè)。第一次是針對 中興,2018 年美國商務部將中興通訊列入實體清單,禁止中興通訊從美國購買零部件。第二 次是針對華為,2019 年 EDA 三巨頭終止了與華為海思的合作,2020 年美國商務部提升對華 為及海思的出口管制要求,要求使用美國軟件、設備和技術的半導體公司須獲美國政府許可 才能向華為供貨。第三次于 2022 年 8 月,美國商務部工業(yè)和安全局把開發(fā) GAAFE T(全柵 場效應晶體管)必需的 EDA 軟件納入出口管制。此外,美國對集成電路行業(yè)的政策封鎖也會 對中國 EDA 產業(yè)造成不利影響,例如 2022 年 10 月禁止美國籍人才為中國半導體行業(yè)工作 的政策,會直接影響部分 EDA 企業(yè)的核心高管、技術人員和相關專利。 國產 EDA 工具相較于國際龍頭企業(yè),在全流程和先進制程上仍有不小差距,國產化率水平較 低。從市場競爭格局來看,2021 年,Synopsys 在中國地區(qū)的營收 36.58 億元,約為同年華 大九天在中國地區(qū)營收的 6.31 倍。從產品線來看,國產 EDA 企業(yè)主要集中在點工具的供給 上,尤其是在數字電路 EDA 工具方面尚未實現全流程覆蓋。其次,從制程工藝上來看,中國 僅有部分 EDA 企業(yè)的部分點工具能夠滿足 3nm 先進制程的需要,尚未實現先進制程全流程 EDA 工具國產化,而根據臺積電官網顯示,Ansys、Cadence、Siemens EDA 和 Synopsys 分別有多類產品經過臺積電 N3E 制程節(jié)點的認證,并已經有部分工具正在使用中。國家政策對 EDA 企業(yè)的支持是推動國產 EDA 軟件發(fā)展的重要力量。國家政策對 E DA 企業(yè) 的支持主要來自兩方面,一是各層級政府政策支持、激勵與補助。政府政策支持從頂層設計 向各省市、各行業(yè)細化。2022 年 10 月,《深圳市關于促進半導體與集成電路產業(yè)高質量發(fā)展 的若干措施(征求意見稿)》中提到,對購買國產 EDA 工具軟件的企業(yè)或科研機構,按照不 超過實際支出費用的 70%給予補助,每年最高 1000 萬元;對租用國產 EDA 工具軟件的企業(yè) 或科研機構,按照不超過實際支出費用的 50%給予補助,每年最高 500 萬元。2022 年 11 月 13 日,上海市經濟信息化委、市財政局印發(fā)《上海市集成電路和軟件企業(yè)核心團隊專項獎勵 辦法》,對于年度主營業(yè)務收入首次突破 15 億元/10 億元/5 億元/2.5 億元的集成電路電子設 計自動化(EDA)工具開發(fā)企業(yè),分別給予核心團隊累計不超過 3000 萬元/2000 萬元/1000 萬 元/500 萬元的獎勵。另一方面是大基金的投資,截至 2022 年三季度,國家集成電路產業(yè)投 資基金股份有限公司在華大九天持股 8.88%,在鴻芯微納通過大股東深圳鴻泰鴻芯股權投資 基金合伙企業(yè),持股 38.68%。2.2 半導體設備零部件:設備上游核心支柱,自主可控刻不容緩2.2.1 分類方式多,廣泛應用于前道設備及工藝半導體設備零部件是指在材料、結構、工藝、品質和精度、可靠性及穩(wěn)定性等性能方面達到了 半導體設備及技術要求的零部件,作為半導體設備的重要組成部分,零部件的質量、性能和 進度優(yōu)劣直接決定了半導體設備的可靠性和穩(wěn)定性,重要性不言而喻。從產業(yè)鏈角度,零部 件位于半導體設備上游,零部件上游則為鋁合金材料以及其他金屬非金屬原材料等。
零部件種類眾多,分類方式也多種多樣: 按照集成電路設備腔體內部流程分,可以分為 5 大類:分別為電源和射頻控制類、氣體輸送 類、真空控制類、溫度控制類、傳送裝置類。 按照主要材料和使用功能分,可以分為 12 大類:分別為硅/碳化硅件、石英件、陶瓷件、金屬 件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、過濾部件、運動部件、電控部件、其他部件。 按照服務對象分,可以分為 2 類:分別為精密機加件、通用外購件。 按照類型分,可以分為 6 類:分別為機械類、電氣類、機電一體類、氣體/液體/真空系統(tǒng)類、 儀器儀表類、光學類。具體產品方面,在設備及產線上應用數量較多的主要零部件產品有 O-Ring 密封圈、精密軸 承、金屬零部件、Valve 閥、泵、MFC 流量計等,基本涉及了包括光刻、刻蝕、薄膜沉積、 CMP 拋光、氧化、清洗、離子注入、RTP 等在內的全部主流工藝步驟。因此零部件的性能直 接決定了設備的性能,是半導體設備制造過程中非常重要的一環(huán)。半導體零部件行業(yè)特點同樣明顯,表現為高技術密集、學科交叉融合、市場規(guī)模占比小且分 散,但在價值鏈上卻舉足輕重等特點。 1)技術密集型行業(yè),對精度和可靠性要求高:由于需要組成半導體設備,用于芯片生產,因 此其尖端技術密集的特性尤其明顯,有著精度高、批量小、多品種、尺寸特殊、工藝復雜、要 求苛刻等特點。此外,還需要兼顧強度、應變、抗腐蝕、電子特性、電磁特性、材料純度等復 合功能要求;2)多學科交叉融合,對復合型人才需求大:零部件行業(yè)往往涉及到材料、機械、物理、電子、 精密儀器等多學科知識,因此對復合型、交叉型人才的需求較為迫切; 3)行業(yè)碎片化特征明顯,企業(yè)多采用并購及多產品線發(fā)展策略:半導體零部件種類多,單一 細分領域市場規(guī)模小,呈現出碎片化特點。此外,由于零部件技術門檻高、制造工序繁瑣,行 業(yè)內多數企業(yè)只專注于個別生產工藝,或專注于特定精密零部件產品,行業(yè)相對分散,因此 企業(yè)多通過并購方式做大做強,半導體零部件往往只是公司整體零部件業(yè)務中的一塊。2.2.2 歐洲、美國、日本廠商主導市場2005-2020 年,受消費電子、PC 等下游景氣度提升拉動,全球半導體需求整體向好,根據 SEMI 及 SEAJ 數據,全球半導體設備市場規(guī)模呈現總體上升趨勢,2005 年為 328.8 億美元; 2021 年達到歷史最高的 1025 億美元,同比增長 44%;SEMI 預計 2022 年將達到 1085. 4 億 美元,同比增長 5.9%,2023 年將達到 912 億美元,2024 年將達到 1071.6 億美元。
在半導體設備成本構成中,零部件產品占比超過 90%,國際半導體設備廠商毛利率普遍在 40- 45%,因此零部件市場規(guī)模約為半導體設備市場規(guī)模的 50-55%,因此 2021 年全球半導體設 備零部件市場規(guī)模約為 513 億美元,中國大陸半導體設備零部件市場規(guī)模約為 148 億美元。 根據 SEMI 關于全球半導體設備市場規(guī)模的預測,預計半導體設備零部件市場規(guī)模 2022 年 約為 542.7 億美元,2023 年約為 456 億美元,2024 年約為 535.8 億美元。 全球半導體零部件廠商市場格局中,主要以歐洲、美國、日本企業(yè)為主。根據 TechInsights 數 據,2021 年全球 Top 10 零部件廠商分別為蔡司、MKS、愛德華、先進能源、Horiba、VAT、 Ichor、超科林、ASML、荏原。2.2.3 技術難度大,國產化率低根據芯謀研究數據,2020 年中國大陸晶圓廠采購的 8-12 英寸設備零部件產品種類豐富,其 中石英(Quartz)、射頻發(fā)生器(RF Generator)、泵(Pump)排名前 3,占 比分 別為 11%/10%/10%,閥門(Valve)、吸盤(Chuck)占比均為 9%,此外還包括反應腔噴淋頭(Shower Head)、邊緣環(huán)(Edge Ring)等。零部件自給率仍然偏低。根據芯謀研究數據,石英(Quartz)、反應腔噴淋頭(Shower Head)、 邊緣環(huán)(Edge Ring)自給率超過 10%;泵(Pump)和陶瓷件(Ceramic)自給率 5-10%; 射頻發(fā)生器(RF Generator)、機械臂(Robot)和氣體流量計(MFC)自給率 1-5%;閥門 (Valve)、測量儀(Gauge)和 O 形密封圈(O-Ring)自給率不足 1%。整體而言,半導體 零部件國產替代空間大。 上述產品對應海外公司主要有 Ferrotec、Heraeus、Tokai Carbon、新鶴、MKS、VAT、Hori ba 等,中國廠商主要有菲利華、太平洋石英、神工半導體、靖江先鋒、江豐電子、沈陽科儀、蘇 州柯瑪、新松機器人、北方華創(chuàng)等。雖然目前零部件國產化率不高,但同樣需要認識到,半導體零部件技術難度大,對 精密機械 制造技術、表面處理特種工藝技術、焊接技術等要求較高,因此,企業(yè)需要不斷研發(fā)生產工藝 技術以滿足產品高精密、高潔凈、超強耐腐蝕能力、耐擊穿電壓的要求,并實現較高的生產效 率,從而滿足半導體設備的工程化和量產化。 此外,半導體設備廠商為了降低成本和提升生產效率,將會簡化零部件供應鏈,并對標準化、 模塊化、流程化、精密度、潔凈度等提出更高要求,未來能提供多種工藝、多品類產品、生產 更加智能化的零部件廠商將會具備更強的競爭力。2.2.4 中國廠商積極布局目前在晶圓代工廠日常運營過程中領用的零部件(括維保更換和失效更換的零部件)達到 2000 種以上,但國產占有率僅為 8%左右,美國和日本占有率分別為 59.7%和 26.7%。高端 零部件方面,主要被美國、日本、歐洲廠商主導,中低端零部件方面,主要被韓國、中國臺灣 廠商占據。 近年來,隨著美國對中國半導體行業(yè)的封鎖愈演愈烈,國產替代已成為全行業(yè)共同呼聲,對 應零部件廠商也積極加大研發(fā)力度,不斷提升研發(fā)水平和產能,雖然仍然與國際龍頭企業(yè)有 一定差距,但是國產廠商目前已經在多個領域實現了突破,包括北方華創(chuàng)、新萊應材、江豐電子、富創(chuàng)精密、華亞智能、華卓精科、萬業(yè)企業(yè)(Compart)等眾多廠商已經實現相關零部件 產品的量產,并且未來還將進一步拓寬品類、擴大產能、向先進制程精進,不斷提升中國半導 體零部件技術水平和國產化率水平。
半導體晶圓廠擴產給上游設備帶來發(fā)展機遇,進而有利于本土零部件廠商快速發(fā)展 ,疊加現 階段國產化率較低的現狀,我們認為未來零部件未來幾年有望保持高景氣,看好半導體零部 件行業(yè)在晶圓廠擴產及國產化率提升雙輪驅動下的高成長。2.3 半導體設備:半導體產業(yè)鏈核心支柱,全球需求有望繼續(xù)擴大半導體設備泛指用于制造各類半導體產品所用的生產設備,屬于半導體產業(yè)鏈的關鍵支撐環(huán) 節(jié)。半導體設備的技術升級與半導體制造的工藝發(fā)展相輔相成。半導體設備的技術 升級為半 導體制造工藝創(chuàng)造了發(fā)展空間,而半導體制造工藝的改進是半導體設備實現技術突破的推動 力。在半導體制造的工藝流程中,半導體設備扮演著十分重要的角色。 半導體制造的步驟繁多且精細,主要可分為三大類:硅片制造、前道晶圓制造和后道封裝測 試。在硅片制造流程中,首先需將多晶硅提純后得到單晶硅棒,經過磨外圓、切片得到初始硅 片,之后再進行倒角、研磨、拋光、清洗和檢測等工藝,最終得到可用于生產加工的半導體硅 片。其間主要設備包括單晶爐、滾圓機、切片機、倒角機、研磨機、拋光機、清洗設備和檢測 設備等。在 IC 設計完成之后,就進入到正式的芯片制造環(huán)節(jié)。晶圓制造流程是芯片制造中最為核心的環(huán)節(jié),晶圓制造的七大步驟分別為熱處理(氧化/擴散 /退火)、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、清洗和拋光。通常熱處理、光刻、刻蝕、離子注 入、薄膜沉積、清洗步驟需要重復進行若干次,之后進行 CMP 及金屬化,最終還需要進行前 道量測,只有量測合格的晶圓才能進入封裝測試環(huán)節(jié)。其間主要設備包括熱處理設備(氧化 爐/擴散爐/退火爐)、光刻機、涂膠顯影/去膠設備、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設備 (PVD/CVD/ALD)、清洗機、CMP 設備和晶圓量測設備(厚膜/OCD 關鍵尺寸量測設備、電子書量測設備)等。 封裝測試包括封裝和測試兩個環(huán)節(jié),封裝過程主要包括背面減薄、晶圓切割、貼片、引線鍵 合、模塑和切筋/成型,需用到減薄機、切割機、貼片機、烤箱、引線鍵合機、注塑機以及切 筋/成型設備等。封裝結束后做最后的成品測試,主要用到測試機、探針臺、分選機等。測試 合格后的芯片將被應用于消費電子、IoT、汽車電子、工控、醫(yī)療、通信等各下游領域。根據 SEMI 數據,全球半導體設備銷售額不斷上升,2021 年銷售額為 1205 億美元,同比增 長 44%。根據 WSTS 數據,全球集成電路銷售額在 17 年間整體趨勢向上,2021 年銷售額達 5559 億美元;按區(qū)域分類,亞太區(qū)為全球最大的集成電路銷售市場,2021 年銷售額達 3429.67 億美元,占比超 50%。在全球集成電路銷售額不斷突破前值的情境下,全球半導體設備銷售 額與集成電路銷售額之比從 2013 年的 10%穩(wěn)步上升至 2021 年的 18%。 展望未來,受益于 5G、汽車電子、IoT、數據中心和 AI 的需求拉動,頭部晶圓廠為應對各類 芯片缺貨不斷擴充產能,廠商紛紛擴大投資,帶動大量半導體設備的采購需求,因此未來全 球半導體設備市場前景可期。據 SEMI 預測,2023 年和 2024 年的全球半導體設備銷售額將 分別達到 912 億美元和 1071.6 億美元,同比增速分別為-16%和 18%。據 WSTS 預測,2022 年和 2023 年的全球集成電路銷售額將達到 5801 億美元和 5566 美元,其中亞太區(qū)的集成電 路銷售額或將分別回落至 3361.51 億美元和 3110.05 億美元。全球半導體設備市場主要由光刻相關設備、刻蝕設備和薄膜沉積設備所主導,合計市占率約 為 58%??傮w來看,全球半導體設備的生產廠商主要集中在歐洲、美國和日本,中國本土的 半導體設備廠商的市占率有待提高,國產替代空間仍較大。目前中國半導體設備的國產化率 已接近 20%;其中已實現較高國產化率的設備為去膠設備(<70%)。展望未來,隨著中國半 導體設備制造商持續(xù)擴充產能、加大研發(fā)以及拓寬品類,中國半導體設備行業(yè)有望充分受益。2.3.1 硅片制造設備:需求持續(xù)上升,大硅片制造設備為未來主力生產半導體硅片是實現半導體制造的第一步,主要設備涵蓋單晶爐、滾磨機、切片機、倒角 機、研磨設備、CMP 拋光、清洗設備、檢測設備等。每一項設備對于硅片生長都不可或缺。設備供應商以國外廠商為主,中國廠商由于起步晚,相對落后,但是在單晶爐、滾磨機、CMP 拋光機、清洗設備等環(huán)節(jié)也實現了一定的自主可控。 單晶爐是最重要的硅片制造設備。單晶爐在全球范圍內的供應商主要有德國 PVA TePla AG 和 Gero,日本 Ferrotec、美國 Quantum Design 和 Kayex。其中德國 PVA TePla AG、美國 Kayex 與日本 Ferrotec 為主要的供應商,在全球的市場份額較高。PVA TePla AG 集團在歐洲晶圓生 長晶體設備市場的市占率高達九成以上。中國廠商已具備單晶爐生產能力,代表廠商為晶盛 機電。2022 年上半年,晶盛機電已實現 8 英寸晶體生長、切片、拋光和 CVD 等環(huán)節(jié)的設備 全線覆蓋,12 英寸的長晶、切片、拋光和研磨等設備已實現批量銷售。 半導體硅片是行業(yè)發(fā)展的基礎,全球硅片出貨面積有望持續(xù)上升,帶動硅片制造設備的需求。 據 SEMI 數據,2020 年硅片約占據晶圓制造材料規(guī)模的 35%,為占比最多的材料。據 SEMI 數據,全球半導體硅片出貨面積持續(xù)高升,從 2011 年的 9043 百萬平方英寸上升至 2021 年 的 14017 百萬平方英寸,總漲幅為 55.16%。SEMI 預計,2025 年全球半導體出貨面積將上 升至 16490 百萬平方英寸。
8 英寸和 12 英寸硅片制造設備或將繼續(xù)成為主力。目前 8 英寸和 12 英寸大硅片通常應用于 90-55nm 與 28-5nm 制程芯片的制備。據 SEMI 數據,8 英寸硅片占比為 24%,12 英寸硅片 占比為 69%。未來隨著新增 12 英寸晶圓廠不斷投產,12 英寸硅片仍將是主流,小尺寸硅片 將逐漸被淘汰(短期內 8 英寸硅片除外)。目前,量產硅片止步 300mm(12 英寸),450mm (18 英寸)硅片由于設備及制造成本過高仍未商用。據 SEMI 預測,每塊 450mm 晶圓的單 位面積芯片成本只下降 8%,此時,晶圓尺寸不再是降低成本的主要途徑,因此廠商難以有動 力投入 450mm 量產。2.3.2 光刻機:ASML 為全球龍頭,引領光刻機制程升級光刻機被譽為半導體工業(yè)中“皇冠上的明珠”,是光刻工藝的核心設備。光刻工藝一般包括脫 水烘烤、旋轉涂膠、軟烘、曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜烘焙、顯影檢查等 8 個步驟。光刻 機在曝光環(huán)節(jié)中使用。光刻機的功能在于利用光源系統(tǒng)將光束投射在光掩膜上,再通過物鏡 組彌補光學誤差并將光掩膜上的芯片藍圖縮小投射在涂有光刻膠的硅片上。在半導體復雜的 制造流程中,光刻工藝有著不可或缺的作用。光刻機作為實現光刻工藝的核心設備,是芯片產業(yè)蓬勃發(fā)展的基石。隨著光源、曝光方式不斷改進,光刻機前后共經歷了 5 代產品,每一代產品都在不斷降低光 源波長,同時縮小芯片制程。第四代浸入步進式光刻機(ArFi 光刻機)的最低制程可實現 7nm。 第五代光刻機為 EUV 光刻機,其采用波長為 13.5nm 的 EUV 極紫外光源,制程節(jié)點為 7- 3nm,是目前最先進的光刻機。 由于光刻機制造具有高壁壘性,因此市場上的光刻機制造商寥寥無幾。光刻機制造企業(yè) 中的 Top3 分別為 ASML、Nikon 和 Canon,三者市場集中度超過 90%。2011 至 2021 年,TOP3 光刻機制造商的出貨量呈先降后升趨勢,2021 年總出貨量達 478 臺,主要以 i-line、KrF 和 ArFi 光刻機為主。2011 至 2021 年,TOP3 廠商的銷售額基本處于上漲趨勢,2021 年的總規(guī) 模達 143.90 億歐元,主要以 EUV 和 ArFi 光刻機為主。在 TOP3 廠商中的市場競爭格局中,以出貨量計算市場份額,ASML 十年間維持在第一水平, 2021 年占比為 65%。Nikon 的出貨量市占率逐步走低,從 2011 年的 24%縮減至 2021 年的 6%。Canon 的出貨量市占率穩(wěn)步提高,從 2011 年的 14%增長至 2021 年的 29%。以銷售額 計算市場份額,ASML 更顯龍頭地位,其市場份額從 2011 年的 78%提升至 2021 年的 91%。 Nikon 的銷售額市占率從 2011 年的 19%跌至 2021 年的 3%。Canon 的銷售額市占率基本維 持穩(wěn)定在 6%的水平。2.3.3 涂膠顯影設備前景開闊,干法去膠設備實現份額優(yōu)勢涂膠顯影設備是與光刻機配套使用在光刻工藝中的關鍵設備,主要負責曝光前在硅片上涂覆 光刻膠,以及曝光后進行圖像顯影,期間通過機械手臂使晶圓在各系統(tǒng)之間傳輸和處理。涂 膠和顯影不僅直接影響光刻工序曝光圖案的形成,圖形質量對后續(xù)刻蝕和離子注入等工藝中 圖形轉移的結果也有著重要影響。 涂膠顯影設備可按照所處工藝環(huán)節(jié)的不同分為前道設備和后道設備,其中前道涂膠顯影設備 為主要設備,被運用在晶圓制造環(huán)節(jié);根據 VLSI 數據,2020 年前道涂膠顯影設備占涂膠顯 影設備總市場規(guī)模的 95.9%。根據 VLSI 數據,2020 年全球前道涂膠顯影設備市場規(guī)模為 19.06 億美元,2021 年約為 23.24 億美元,預計到 2023 年將上升至 24.76 億美元。據華經 產業(yè)研究院數據,2020 年中國前道涂膠顯影設備市場規(guī)模為 7.55 億美元,2021 年約為 9.35 億美元,預計到 2021 年將上升至 10.26 億美元。
目前國際上主流的涂膠顯影設備生產商主要集中在日本、德國和韓國,分別是東京電子、迪 恩士、蘇斯微、細美事等,其中東京電子的全球市占率達 88%,迪恩士、細美事和蘇斯微合 計占比 10%,其他廠商占比 2%。在中國的涂膠顯影設備市場中,東京電子和迪恩士分別占 據 91%和 5%的市場份額,芯源微的涂膠顯影設備在中國的市占率達 4%。芯源微的前道涂膠 顯影機 offline、i-line 和 KrF 機臺均已實現批量銷售,并已開始部分量產 28nm 技術節(jié)點的涂 膠顯影設備。去膠設備主要用于曝光后將光刻膠從晶圓上移除,以此來保證晶圓順利進入下一步制造步驟 。 去膠工藝可分為濕法去膠和干法去膠,濕法去膠主要采用溶劑對光刻膠進行溶解;干法去膠 主要采用離子轟擊的方法去除表面光刻膠,為當前主流技術。 據 Gartner 數據,2020 年全球干法去膠設備市場規(guī)模為 5.38 億美元,2021 年約為 6.61 億 美元,預計到 2025 年將增長至 6.99 億美元,復合增長率為 5.40%。目前國際上主流的去膠 設備生產商主要集中在中國、韓國、日本和美國。據 Gartner 數據,2020 年屹唐股份去膠設 備市占率為 31.3%,為全球第一;北方華創(chuàng)的市占率為 1.7%,為全球第七;其余廠商以國外 企業(yè)為主,包括比思科、日立高新、泛林半導體、泰仕半導體等。2018 至 2020 年,屹唐股 份在干法去膠設備領域分別位于全球第三、全球第二和全球第一的市場地位,市場占有率逐 年提升,不斷鞏固在全球的領先地位。根據屹唐股份招股書公告,公司當前已量產的干法去 膠設備已可用于 90-5nm 邏輯芯片、1Y 到 2Xnm(約 14-29nm)系列 DRAM 芯片以及 32- 128 層 3D NAND 芯片的生產。2.3.4 刻蝕設備:芯片升級帶動刻蝕機需求,TSV 設備為先進封裝加碼刻蝕工藝是 IC 前道制造中至關重要的一環(huán),與光刻工藝和薄膜沉積并列為 IC 前道制造中的 三大核心工藝。在光刻工藝結束后,刻蝕工藝會以光刻膠所形成電路圖為模板,通過物理或 化學的手段將硅片或薄膜腐蝕,從而在硅片或薄膜上形成電路圖。同光刻工藝一道,刻蝕技 術也決定著集成電路圖形的精細程度。
刻蝕工藝主要被分為兩大類,濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕運用液態(tài)化學品(酸、堿溶液) 將硅片表面腐蝕出芯片的結構。干法刻蝕利用電子氣體轟擊硅片表面從而形成芯片結構。干 法刻蝕為當前最為主流的刻蝕方法,其市場規(guī)模約占全球刻蝕設備規(guī)模的 90%,濕法刻蝕約 占 10%。濕法刻蝕分為兩大類,化學刻蝕和電解刻蝕。干法刻蝕主要分為三大類,等離子體 刻蝕(化學性刻蝕)、濺射刻蝕(物理性刻蝕)和反應離子刻蝕。濕法刻蝕在控制線寬和各向 異性度方面有所局限,無法實現 3μm 以下的線寬,同時只能保持各項同性(有一定程度的鉆 蝕發(fā)生)。干法刻蝕的優(yōu)點在于能夠實現線寬 3μm 以下的刻蝕,同時能夠較好的保持各向異 性,刻蝕均勻性和選擇比都可控。將干法刻蝕按照刻蝕材料細分可分為三類,介質刻蝕、硅刻 蝕和金屬刻蝕。根據 PW Consulting 的數據,2020 年介質刻蝕占據干法刻蝕市場 49%的份 額,硅刻蝕占比 48%,金屬刻蝕占比 3%。 根據 Gartner 數據,2019 至 2021 年全球刻蝕設備市場規(guī)模分別為 110 億美元、136 億美元 和 172 億美元,呈持續(xù)增長態(tài)勢。據 Gartner 預測,2022 年全球刻蝕機的市場規(guī)模將達到 184 億美元。國外廠商方面,已能實現最小制程節(jié)點為 3nm 的覆蓋,中國廠商起步較晚,因此技術實力仍 有待提高。中微公司開發(fā)的 12 英寸高端刻蝕設備已應用于部分國際先進產線上的若干 5nm 及 5nm 以下的關鍵步驟的加工;其 ICP 刻蝕設備未來將繼續(xù)向 5nm 及以下的邏輯芯片、 1Xnm 的 DRAM 和 200 層以上的 3D NAND 上突破;其 CCP 刻蝕設備已取得 5nm 及以下邏 輯電路客戶的重復訂單,并在存儲電路方面可應用于量產 64 層、128 層與更高層數的 3D NAND;公司未來還將繼續(xù)開發(fā)用于邏輯器件制造的大馬士革刻蝕技術與用于存儲器件制造 的極高深寬比刻蝕設備。北方華創(chuàng)開發(fā)的刻蝕機已突破 14nm 技術節(jié)點,并在客戶端通過多 道制程工藝驗證,且已實現量產應用。屹唐股份的干法刻蝕設備主要可用于 65-5nm 邏輯芯 片、1Y 到 2Xnm(約 14-29nm)系列 DRAM 以及 32 層到 128 層 3D NAND 制造,設備已用 于三星電子、長江存儲等國內外知名存儲芯片制造企業(yè)。2.3.5 薄膜沉積設備:芯片層數不斷增加,薄膜沉積設備未來前景可期薄膜沉積是半導體器件制造過程中的重要環(huán)節(jié),主要讓硅片表面形成各種導電薄膜層和絕緣 薄膜層,從而使晶圓擁有多層結構。按照工作原理分類,薄膜沉積工藝大體可分為三類, PVD (物理氣相沉積設備)、CVD(化學氣相沉積設備)和 ALD(原子層沉積設備)。根據 SEMI 數據,2021 年全球薄膜沉積設備市場規(guī)模為 210 億美元,2022 年有望達 250 億美元。其中, PECVD、濺射 PVD 和管式 CVD 為市場占比最多的設備,分別為 33%、19%和 12%。
薄膜沉積設備主要被日本、美國和歐洲的廠商主導。據 Gartner 數據,PVD 設備方面,應用 材料具有絕對份額優(yōu)勢,占據 85%的市場份額;應用材料、泛林半導體和東京電子是 CV D 設 備市場中的佼佼者,分別占比 30%、21%和 19%;ALD 設備中,東京電子和 ASMI 是行業(yè)龍 頭,分別占有 31%和 29%的市場份額。隨著芯片線寬的不斷縮小,薄膜沉積設備的需求量越大。當前芯片一直在朝著微小化、精密 化和復雜化的發(fā)展方向前進,隨之帶來了晶圓制造步驟的難度提升與工序增加。在 90nm CMOS 工藝中,大約需要 40 道薄膜沉積工序,在 3nm FinFET 工藝中,所需的薄膜沉積工 序則升至 100 道。在芯片制程更小的產線中,為了在工序變復雜的同時確保產能充裕,則需 要配備更多臺薄膜沉積設備來增加單位時間吞吐量。 閃存芯片 3D 堆疊加速,薄膜沉積設備用量或將上升。3D NAND 芯片的每一層幾乎都會進行 薄膜沉積。從首塊 3D NAND 芯片發(fā)貨至今,已經實現了從 24 層到 232 層的突破,多家存儲 大廠都做出 200 層以上 3D NAND 的量產規(guī)劃,因此未來層數不斷突破是大趨勢。隨著 3D NAND 結構的復雜化,未來薄膜沉積設備需求有望擴大。 ALD 設備和 SACVD 設備或將成為未來應用趨勢。芯片結構的復雜化和精密化也衍生出了對 薄膜均勻性、顆粒數量控制、金屬污染控制要求的提高。ALD 設備的優(yōu)點在于臺階覆蓋力強 和薄膜厚度控制精準。SACVD 設備的優(yōu)點在于高深寬比溝槽填充能力強和沉積速度快。因此 ALD 和 SACVD 設備更適應未來芯片制造演變趨勢。2.3.6 離子注入設備:摻雜工藝核心設備,中國廠商進展不俗在晶圓制造中,由于純硅材料的導電性能較差,須采用摻雜工序,通過加入部分雜質來改變 半導體載流子濃度和導電類型,從而達到提升硅片導電性能的目的。通常有兩種摻雜方法, 高溫擴散法和離子注入法。 高溫擴散法:將摻雜氣體導入放有硅片的高溫爐,并將雜質擴散到硅片內。由于高溫擴散存 在精度控制的缺陷以及均勻性和重復性較差,現已較少使用。 離子注入法:通過離子注入機的加速和引導,將要摻雜的離子以離子束形式射入材料。與高 溫擴散工藝相比,離子注入的優(yōu)勢在于可對注入劑量、角度、深度、橫向擴散等方面進行精確 控制,同時還擁有純度高和均勻性好的特點,使得離子注入法在半導體制造中被廣泛應用。 離子注入設備大體可分為三類,低能大束流離子注入機、中低束離子注入機和高能離子注入 機,市場占比分別為 61%、20%和 18%。不同設備的運行原理相似,但主要應用范圍有所區(qū) 分。全球共有 6 家企業(yè)以集成電路用離子注入機為主要業(yè)務,分別為應用材料、Axcelis、SMIT、 Nissin、AIBT 和中科信。中科信已成功實現離子注入機全譜系產品國產化,包括中束流、大 束流、高能、特種應用及第三代半導體等離子注入機,工藝覆蓋至 28nm,目前正在進行先進 制程工藝設備的研發(fā)。此外,萬業(yè)企業(yè)(凱世通)積極布局低能大束離子注入機和高能離子注 入機等設備的研發(fā)與生產,目前已經覆蓋 28nm 及更先進制程到成熟制程的多個節(jié)點的技術 需求。萬業(yè)企業(yè)(凱世通)已與多家 12 英寸晶圓廠簽署離子注入機(含低能大束流離子注入 機和低能大束流超低溫離子注入機)的訂單,并已將首批多套大束流離子注入機交付重要客 戶。 中科信與萬業(yè)企業(yè)(凱世通)的離子注入設備滿足中國多數晶圓產線需求,未來中國下游客 戶有望加速導入。當前中科信與萬業(yè)企業(yè)(凱世通)的離子注入設備均能覆蓋 28nm 的技術 需求,并且都已實現低能大束流離子注入機的國產化,未來中國離子注入設備市場有望迎來 加速國產替代。2.3.7 熱處理設備實現部分國產化,清洗設備與 CMP 設備保證芯片良率晶圓前道制造工藝中還包括熱處理設備、清洗設備和 CMP 設備。熱處理設備可對晶圓在高溫 環(huán)境中進行氧化/擴散/退火工藝加工。清洗設備可將晶圓表面的殘留物或多余顆粒清除以保證 晶圓的潔凈度。CMP 設備可使晶圓平坦化。
據 Gartner 數據,2020 年全球快速熱處理設備市場規(guī)模為 7.19 億美元,氧化/擴散爐市場規(guī) 模為 5.52 億美元,柵極堆疊設備市場規(guī)模為 2.66 億美元;2021 年全球快速熱處理設備市場 規(guī)模約為 8.87 億美元,氧化/擴散爐市場規(guī)模約為 6.83 億美元,柵極堆疊設備市場規(guī)模約為 3.25 億美元。Gartner 預計,2025 年全球快速熱處理設備、氧化/擴散爐和柵極堆疊設備的市 場規(guī)模將分別增至 9.37/7.10/3.44 億美元。據 Gartner 數據,2021 年全球半導體清洗設備的 市場規(guī)模為 27 億美元,2024 年預計將增長至 31.93 億美元。據 Research and Market 的 CMP 市場報告,2020 年全球 CMP 設備市場規(guī)模達 24 億美元,預計 2027 年將增長至 37 億 美元,2020 至 2027 年的復合增長率為 5.9%。全球快速熱處理設備和 CMP 設備市場集中度高,應用材料分別占據兩種設備市場 69. 72%和 70%的市場份額。屹唐股份在全球快速熱處理設備市場中的占有率為 11.50%。半導體清洗設 備市場的行業(yè)龍頭為迪恩士,市占率達 45.1%。盛美上海在全球半導體清洗設備市場的占有 率小于 2.30%。2.3.8 后道封裝測試設備:廠商集中海外,Chiplet 加速封裝設備需求攀升據SEMI數據,2021年全球半導體封裝和測試設備的規(guī)模分別為 71.7億美元和78.3 億美元, 預計 2024 年全球半導體封裝和測試設備的規(guī)模將分別達到 65.7 億美元和 81.9 億美元。全球半導體封裝設備市場主要以貼片機、劃片機/檢測設備、引線焊接設備和塑封/切筋成型設 備為主;2018 年,貼片機占比 30%,劃片機/檢測設備占比 28%,引線焊接設備占比 23%, 塑封/切筋成型設備占比 18%,電鍍設備占比 1%。全球測試設備市場主要以測試機、分選機 和探針臺為主;2021 年,測試機占比 63.1%,分選機占比 17.4%,探針臺占比 15.2%,其他 設備占比 4.3%。
封裝設備的生產商主要集中在國外,中國只有少量企業(yè)覆蓋。貼片機廠商有荷蘭 Besi、新加 坡 ASM Pacific、美國 K&S 等,中國廠商有艾科瑞思、大連佳峰等;劃片機/檢測設備和引線 焊接設備廠商有 ASM Pacific、K&S 等,中國廠商有中電科 45 所等;塑封/切筋成型設備廠商 有 Town、YAMADA、Besi、ASM Pacific 等,中國廠商有富士三佳等。 目前全球先進測試設備制造技術基本掌握在美國、日本等廠商手中。全球后道測試機廠商中, 愛德萬和泰瑞達占據全球壟斷地位,合計占比超過 90%。中國測試機廠商有長川科技、華峰 測控、聯動科技等,其中華峰測控和長川科技分別占中國測試機市場份額的 6.1%和 2.4%。 全球探針臺廠商中,東京精密占和東京電子為全球龍頭企業(yè),占比分別為 46%和 27%,中國 探針臺廠商主要有中國臺灣旺矽、惠特、深圳矽電、長川科技、中電科 45 所等。全球分選機 廠商中,愛德萬、科休和 Xcerra 合計市占率約 59%,中國企業(yè)主要有長川科技,其全球市占 率達 2%。2.4 半導體材料:半導體制造核心上游支柱2.4.1 材料種類豐富多樣,工藝制造不可或缺作為芯片制造上游重要支柱,半導體材料決定了芯片性能優(yōu)劣,目前全球半導體材料依然由 日本、美國、韓國、德國等廠商主導,整體國產化率不足 15%,未來國產替代空間大。我們 認為,伴隨著國產晶圓廠擴產,將加速國產半導體材料向本土晶圓廠/IDM 廠導入,半導體材 料廠商有望深度受益。 半導體材料分為晶圓制造材料和封裝材料。在半導體制作過程中,晶圓制造材料主要用于前 道工藝,包括氧化、光刻、刻蝕、離子注入、退火、薄膜沉積、清洗、CMP 拋光等,封裝材 料主要用于后道工藝,包括晶圓切割、貼片、引線鍵合、模塑等。晶圓制造材料包括硅片、電子氣體、掩膜版、光刻膠及配套材料、濕電子化學品、CMP 拋光 材料以及靶材等,根據 SEMI 數據,硅片、電子氣體、掩膜版占比最高,分別為 35%、13%、 12%;封裝材料則包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等, 根據 SEMI 數據,封裝基板、引線框架、鍵合絲占比最高,分別為 48%、15%、15%。
各類半導體材料的作用不盡相同,硅片是晶圓制造基底材料,電子氣體用于氧化、還原、除雜 工藝,掩膜版是微電子制造過程中的圖形轉移工具或母版,光刻膠則是將掩膜版上的圖形轉 移到硅片上的關鍵材料,封裝基板用于保護、支撐、散熱,連接芯片與 PCB,引線框架可以 保護、支撐,連接芯片與 PCB,鍵合絲是芯片和引線框架、基板間連接線。2.4.2 中高端依然由國外廠商主導,中國廠商積極研發(fā)布局半導體重點材料領域,中國大陸目前已經基本實現了布局或量產,整體自主化率 10-15%,其 中晶圓制造材料自主化率<15%,封裝材料自主化率<30%。具體產品來看,自主化率較高的 產品中,電子氣體 30%、光刻膠配套材料<25%、(通用)濕電子化學品 23%、引線框架 40%, 自主化率較低的產品中,掩膜版 1%,KrF/ArF/EUV 光刻膠 1%/1%/0%,硅片(含 SO I 硅片) 5-10%,封裝基板 5%,國產替代需求迫切。 從工藝制程技術水平看,中國大陸廠商整體仍然以中低端產品為主,高端材料依然被海外廠 商主導,并且在產能及市場規(guī)模方面與海外廠商也有較大差距。比如晶圓制造材料方面,12英寸 SOI 片還未實現量產,ArF/EUV 光刻膠仍然高度依賴進口,獨立第三方掩膜版主要集中 在 100nm 節(jié)點以上的晶圓制造用掩膜版以及 IC 封裝/IC 器件掩膜版;封裝材料方面,ABF 載 板還未能量產,芯片粘接材料 DAF 和 CADF 基本依賴進口。
全球汽車半導體廠商主要分布在歐洲、美國和日本。根據 Strategy Analytics 數據,2021 年 全球汽車半導體市場規(guī)模 467 億美元,同比+31.5%,其中英飛凌、恩智浦、瑞薩、德州儀器、 意法半導體排名前 5,市占率分別為 12.7%、11.8%、8.4%、8.1%、7.5%。 汽車傳感器方面,博世、英飛凌、安森美、亞德諾、邁來芯排名前 5,市占率分別為 21.4%、 14.1%、10.6%、9.0%、8.6%。微控制器(MCU)方面,瑞薩、恩智浦、英飛凌、德州儀器、 微芯分列前 5 名,市占率分別為 28.8%、24.9%、21.9%、7.5%、7.4%。功率半導體方面, 英飛凌、意法半導體、德州儀器、安森美、羅姆排名前 5,市占率分別為 31.7%、16.2%、 10.8%、8.0%、6.0%。根據 Infineon 和 Strategy Analytics 數據,傳統(tǒng)燃油車半導體價值量為 417 美元/輛,其中 MCU 價值量為 96 美元/輛,功率半導體價值量為 88 美元/輛,傳感器價值量為 54 美元/輛。48V 輕 混半導體價值量為 572 美元。純電動車半導體價值量為 834 美元/輛,其中 MCU 價值量為 92 美元/輛,功率半導體價值量為 459 美元/輛,傳感器價值量為 58 美元/輛。因此,在從燃油車 向純電動車升級過程中,半導體價值量提升幅度明顯,整車半導體價值量增長 100%,功率半 導體價值量提升幅度最大,增幅高達 421.6%。 功率半導體在電動車中主要用于逆變器、車載充電機(OBC)、DC/DC 轉換器、電池管理系 統(tǒng)(BMS)等,根據 Infineon 數據,逆變器用量最大,占比 70%;車載充電機(OBC)、DC/DC 轉換器、電池管理系統(tǒng)(BMS)等合計占比 30%。
在電動車中,逆變器通過將直流電轉變?yōu)榻涣麟?,從而驅動交流電機工作,進而驅動汽車行 駛,因此,逆變器直接關系到驅動電機能否可靠和高效的運行。IGBT 作為逆變器的核心器件, 將深度受益汽車電動化發(fā)展浪潮。 根據 Yole 數據,全球 IGBT 市場規(guī)模,2020 年為 54 億美元,2026 年將增長到 84 億美元, CAGR 為 7.5%。各下游應用中,全球市場前三大下游應用中,工控占比 31.5%,家電占比 24%,新能源車占比 9.4%;中國市場前三大下游應用中,新能源車占比 31%,家電占比 27%, 工控占比 20%。3.3 動力電池向 800V 升級,SiC 有望大放異彩如今電動車續(xù)航里程已經能和燃油車媲美,甚至有的已經超過燃油車里程,但是充電一直是 瓶頸,往往充電時間要遠高于燃油車加油時間,所以提高充電時間就成為了必須要解決的問 題,也是影響電動車滲透率進一步提升的關鍵。目前的解決方法是采用大功率快充來縮短充 電時間,而對于電動車來說,就需要更高電壓來匹配大功率快充,因此,電動車電壓平臺將從 400V 向 800V 及以上升級。 根據英飛凌數據,對于直流充電樁,20kW 充電樁充滿電需要 120min,150kW 需要 16min, 而 350kW 僅需要 7min,因此 800V 高壓平臺+超級充電樁已成為趨勢,而在 800V 及以上高 壓情況下,Si 基材料由于其材料的局限性,SiC 等第三代半導體將有望大放異彩。SiC 在電動車中主要用在逆變器中,此外還有車載充電機(OBC)、DC/DC 轉換器等,絕大部 分將用于逆變器,SiC 在上述零組件中的應用將越來越多。目前包括特斯拉 Model 3、比亞迪 漢以及蔚來 ET7 等車型都已經采用了 SiC 器件,未來有望會有更多車型采用 SiC 器件,帶動 SiC 器件市場規(guī)模持續(xù)提升。 根據 Yole 數據,2021-2027 年,全球 SiC 功率器件市場規(guī)模將由 10.9 億美元增長到 62.97 億美元,CAGR 為 34%;其中電動車用 SiC 市場規(guī)模將由 6.85 億美元增長到 49.86 億美元, CAGR 為 39.2%,電動車(逆變器+OBC+DC/DC 轉換器)是 SiC 最大的下游應用,占比由 62.8%增長到 79.2%,市場份額持續(xù)提升。根據 Wolfspeed 數據,全球 SiC 襯底廠商中,Wolfspeed 占比 62%,排名第 1;II-VI 占比 14%,排名第 2;ROHM(SiCrystal)占比 13%,排名第 3;中國廠商天科合達占比 4% ,排 名第 5。CR3 占比達到 89%,市場集中度高。 根據 Yole 數據,2021 年全球 SiC 器件廠商中,意法半導體占比 40%,排名第 1;英飛凌占 比 22%,排名第 2;Wolfspeed 占比 14%,排名第 3;羅姆、安森美和三菱分列 4-6 名,占 比分別為 10%、7%和 2%。
未來自動駕駛滲透率有望持續(xù)提升,并且高級別自動駕駛占比將逐步增大。根據 Strategy Analytics 數據,全球自動駕駛汽車滲透率方面,預計到 2025 年,L2 滲透率將達到 27%,L3 滲透率將達到 1%;2035 年,L2 滲透率將達到 59%,L3 滲透率將達到 10%,L4 滲透率將達 到 9%,L5 滲透率將達到 1%。4.2 多傳感器融合取長補短,數量及質量將持續(xù)增加為了實現自動駕駛功能,其中感知層的作用非常重要,用于收集周圍環(huán)境,如車輛、行人、交 通標識等信息,以便決策層做出最準確、最合理的判斷,實現安全駕駛。感知層主要包括 攝像 頭、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達等幾類常用自動駕駛傳感器,根據工作原理不同,性 能方面各有優(yōu)劣。 攝像頭技術成熟、造價低,也是唯一能識別顏色和標識的傳感器,但是受光照、天氣影響大, 機器學習數據庫訓練樣本大、周期長;超聲波雷達受天氣干擾小,但是測量精度差,距離短; 毫米波雷達不受天氣影響,穿透煙霧、雨雪、灰塵能力強,探測距離遠,但無法識別物體顏 色,視場角較小,對金屬表面非常敏感,在隧道里效果不佳;激光雷達能夠很好的探測障礙物 的距離、大小、表面形狀,算法簡單,但是在雨雪云霧天氣下衰減嚴重,技術門檻和成本較 高。從頻譜角度講,主動傳感器從超聲波雷達到毫米波雷達,再到激光雷達,工作頻率越來越 高,波長越來越短;被動傳感器攝像頭則工作在可見光(VIS,visible)及紅外線(IR,infrared) 范圍,紅外又分為近紅外(NIR,near-infrared)和中紅外(MIR,mid-infrared),中紅外就是 熟知的熱成像(thermal camera)。從覆蓋范圍和功能上,各類傳感器各有專長。長距毫米波雷達位于車頭,探測距離最遠,主要 用于自適應巡航控制;激光雷達一般位于車頂前方,探測距離次之,主要用于車輛緊急制動、 行人檢測和碰撞避免;攝像頭位于車身四周,探測距離更短一些,但是能覆蓋周圍 360°范圍, 前視攝像頭主要用于交通標志識別和車道偏離報警,側視攝像頭主要用于車身兩側環(huán)視,后 視攝像頭主要用于停車輔助和車身后方環(huán)視;中短距毫米波雷達位于車頭和車尾,探測距離 比攝像頭稍短,前置主要用于倒車橫向車流預警,側后方主要用于盲點檢測,后置主要用于 后方碰撞預警;覆蓋范圍最小的是超聲波雷達,位于車頭和車尾,主要用于停車輔助;全球衛(wèi) 星導航系統(tǒng)位于車頂,主要用于車輛定位和導航。隨著自動駕駛級別逐步提升,功能逐漸豐富,傳感器用量及價值量也水漲船高。根據 Deloitte 數據: L1 級別具備主動巡航控制(ACC)、車道偏離警告系統(tǒng)(LDWAS)功能; L2 級別增加了停車輔助(PA)、車道維持輔助(LKA)功能,需要 6 顆傳感器,包括 4 顆超 聲波雷達、1 顆毫米波雷達(長距)、1 顆攝像頭; L3 級別增加了自動緊急制動(AEB)、駕駛員監(jiān)控(DM)、交通堵塞輔助(TJA)功能,需要 13 顆傳感器,包括 4 顆超聲波雷達、5 顆毫米波雷達(1 顆長距+4 顆短距)、4 顆攝像頭; L4 級別增加了傳感器融合(Sensor Fusion)、高速自動駕駛(AP Highway)功能,需要 29 顆傳感器,包括 10 顆超聲波雷達、8 顆毫米波雷達(2 顆長距+6 顆短距)、8 顆攝像頭、1 顆 激光雷達等; L5 級別增加了隨時隨地自動駕駛(AP Anywhere)功能,需要 32 顆傳感器,包括 10 顆超聲 波雷達、8 顆毫米波雷達(2 顆長距+6 顆短距)、11 顆攝像頭、1 顆激光雷達等。因此,隨著汽車智能化程度及普及率提升,傳感器作為感知層的核心零部件,起到探測收集 周圍一手環(huán)境信息的重要作用,未來將扮演更加重要的角色。傳感器的重要性不僅僅體現在 數量上,而且體現在信息融合上,多種傳感器可以分別探測收集多種周圍環(huán)境、路況信息,從 而幫助決策層做出更加準確與合理的判斷,而且在質量上,對單個傳感器的性能要求也將不 斷提升,以求做出更為快速、準確的信息采集和反饋,因此,我們認為傳感器將深度受益汽車 智能化發(fā)展浪潮,在汽車智能化過程中大放異彩。(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)精選報告來源:【未來智庫】。「鏈接」
1. 2022 年歷經坎坷,2023 年有望企穩(wěn)復蘇
2022 年,上證綜指、深證成指、中 小板 指、創(chuàng) 業(yè)板 指、 滬深 300 指數 分 別 下 跌 15.13%/25.85%/26.49%/29.37%/21.63%,電子行業(yè)年初至今下跌 36.54%,表現低于上證綜 指、深證成指、中小板指、創(chuàng)業(yè)板指和滬深 300 指數。2022 年除煤炭、綜合行業(yè)較年初上漲, 其他 A 股申萬一級行業(yè)均有所下跌,電子行業(yè)跌幅最大。回顧過去 10 年電子行業(yè)發(fā)展,我們認為電子行業(yè)漲跌幅主要受宏觀經濟與政策、行業(yè)供需關 系、技術創(chuàng)新和產品迭代的影響。2012/2016/2018/2022 年電子行業(yè)處于下跌態(tài)勢:2012 年 電子行業(yè)在穩(wěn)增長政策影響下,跌幅收窄至-0.74%(2011 年下跌 41.38%);2016 年全球智 能手機市場增長乏力,電子行業(yè)下跌 12.70%;2018 年,在全球經濟危機、中美貿易戰(zhàn)加劇 等影響下,電子行業(yè)大幅下跌 42.37%;2022 年,由于疫情反復、美國對中國在先進制程等 方面的半導體封鎖加劇、俄烏危機等地緣政治沖突、產能供需周期性錯配等多重因素, 電子 行業(yè)年初至今下跌 36.54%。在近十年上漲的年份中,2013-2015 年主要受到“互聯網+”浪 潮的推動;2017 年蘋果新產品的推出引領智能手機產業(yè)鏈二次變革;2019 年初至今,“國產 替代+5G 技術”是重要主題。
從估值角度來看,2020 年 7 月以來電子行業(yè)估值總體呈下行趨勢,2022 年 10 月至今略有回 升。行業(yè)整體估值處于近兩年底部位置,由于國內疫情反復,2022 年 4 月下旬達到近兩年 PE (TTM)最低值。當前,電子行業(yè)市盈率(TTM)為 28.66 倍,低于過去十年平均值(47.55 倍),低于過去五年平均值(37.21 倍),也低于過去兩年平均值(34.52 倍)。對比滬深 300、上證綜指與電子行業(yè)近十年數據,滬深 300 指數總體高于電子行業(yè),但近年 來差距逐漸縮??;上證綜指在 2012 至 2016 年總體高于電子行業(yè),但 2019 年三季度以來被 電子行業(yè)反超,且在 2019 年末至 2021 年末差距逐漸拉大。2022 年,電子行業(yè)各板塊跌幅較大,回調較深。分業(yè)務板塊來看,申萬二級電子行業(yè)指標中, 消費電子 / 光學光電子 / 半導體 / 元 件 / 電子化學品 / 其 他 電 子 板 塊 分 別 下 跌 40.44%/37.04%/37.11%/33.10%/24.17%/20.92%。光學光電子方面,面板下跌 33.50%,LED 下跌 42.04%,光學元件下跌 39.20%。半導體方面,分立器件/半導體材料/數字芯片設計/模 擬芯片設計 / 集 成 電 路 封 測 / 半 導 體 設 備 跌 幅 分 別 為 29.77%/32.55%/42.75%/37.94%/25.82%/31.84%。元件方面,印刷電路板下跌 31.80% ,被 動元件下跌 34.83%。我們認為行業(yè)下跌主要在于美聯儲加息、俄烏沖突、疫情反復等多因素影響下,消費電子等下游需求疲軟,庫存水位較高,行業(yè)景氣度下行,制約了元器件、半導 體、PCB 等上游產品需求。展望 2023 年,我們認為隨著美聯儲加息節(jié)奏放緩,中國疫情政 策優(yōu)化,行業(yè)有望于 2023Q2 開始企穩(wěn)回暖,上游行業(yè)有望復蘇。
2. 半導體:產業(yè)鏈上游價值突出,未來有望迎來高成長
半導體作為科技強國的重要支柱,重要性不言而喻。回顧過去幾年美國對中國科技領域的制 裁和封鎖,不難看出,不論是封鎖的廣度和深度都在不斷加強,未來的競爭是科技的競爭,面 對封鎖,唯有依靠自主研發(fā)實現國產替代,才能實現真正意義上的自主可控。 復盤 2017 年至今,美國對中國科技制裁封鎖重大事件,具體涉及行業(yè)領域包括通信、消費電 子、3D 打印、機器人、腦機接口、新材料、超算芯片、半導體制造、EDA、半導體設備、光 學、IDM、NAND 芯片、DRAM 芯片、邏輯芯片、GPU 高端芯片等,其中半導體領域最多。 作為國家安全的重要組成部分,半導體供應鏈安全已經成為亟待解決的關鍵問題。目前半導 體供應鏈中,設計端國產集成電路設計廠商已經能夠設計出 5nm 芯片,但制造端上游,如 EDA、設備零部件、設備、材料等,相關產業(yè)國產化率普遍不高,在個別產品上甚至完全依賴 進口,因此,上游的 EDA、設備零部件、設備、材料國產替代就成為了關鍵,是影響半導體 供應鏈安全問題的主要瓶頸。近年來中國已經加快了上游 EDA、設備零部件、設備、材料等賽道的研發(fā)進度,國產化導入 也在加速進行,通過對比 2020 至 2022Q1-Q3 相關重點上市公司財報,不難發(fā)現大部分公司 的營業(yè)收入與凈利潤在不斷強化,毛利率基本維持穩(wěn)定。為了進一步擴大產能,擴充市場份額,滿足未來 5G、AI、物聯網、消費電子、新能源車、數 據中心等下游增長需求,國產重點半導體晶圓廠/IDM 廠普遍公布了擴產計劃,根據我們統(tǒng)計, 未來 1-3 年內,大部分國產新建產線將陸續(xù)投產,有望加強國產半導體晶圓廠/IDM 廠的全球 競爭力。在美國的科技制裁和封鎖下,中國半導體的韌性越來越強,自主可控、國產替代已經 成為全產業(yè)鏈上下游企業(yè)的共識,唯有依靠自主研發(fā),才能擺脫受制于人的局面,才能真正 實現產業(yè)鏈健康發(fā)展。伴隨著國產新建產線陸續(xù)投產,我們認為上游產業(yè)鏈將有望充分受益 于國產化率提升,看好 EDA、設備零部件、設備、材料等細分賽道未來的高成長性。2.1 EDA 軟件:國產替代+下游需求雙驅動2.1.1 EDA 軟件:集成電路設計、制造的必備工具EDA(Electronic Design Automation,電子設計自動化)位于半導體產業(yè)鏈上游,是指利用 計算機輔助設計軟件,以硬件描述的方式來完成 VLSI(Very Large Scale Integration Circuit, 超大規(guī)模集成電路)芯片的功能設計、綜合、驗證、仿真測試等流程的設計方式。芯片生產需 經歷芯片設計和芯片制造兩大環(huán)節(jié),其中芯片設計環(huán)節(jié)包括完善規(guī)格定義、系統(tǒng)級設計、電 路圖設計和版圖設計等;芯片制造環(huán)節(jié)則需要經歷光刻、切割、封測和 PCB 集成等環(huán)節(jié)。EDA 工具由于覆蓋范圍的差異,存在廣義 EDA 和狹義 EDA 兩種定義,廣義 EDA 工具覆蓋芯片設 計、制造全流程,而狹義 EDA 工具僅包含電子設計的自動化部分。
根據信號的不同,EDA 設計工具可以進一步分為模擬電路設計 EDA 和數字電路設計 E DA。 模擬電路設計 EDA 主要針對電源管理芯片或信號鏈芯片等的電路設計;數字電路設計 EDA 主要面向 MCU、CPU、GPU 等芯片的電路設計。數字電路與模擬電路在信號表示、器件狀 態(tài)、研究對象、基本單元電路、分析工具方面各有不同。數字電路處理的信號是數字信號,其 時間變量是離散的;而模擬電路處理的信號是模擬信號,其時間變量是連續(xù)的。其次,在信號 的表示上,數字信號常用二進制數來代表相互對立的兩種狀態(tài),具體體現為矩形脈沖,但模 擬信號則用一系列連續(xù)變化的電磁波或電壓信號來表示。 相較于模擬芯片,數字芯片設計需要更豐富的 EDA 工具。盡管數字芯片與模擬芯片在設計流 程都基本圍繞“計劃—設計—仿真—驗證”四大環(huán)節(jié),但是數字芯片設計的自動化程度 和流程復雜度遠高于模擬芯片,需要更加豐富的 EDA 工具。從自動化程度來看,數字電路只涉及到“0”、“1”信號,僅需考慮時序、功耗和面積等少量 優(yōu)化因素,但模擬電路涉及到復雜的信號環(huán)境,并存在噪聲、失真、電壓擺幅等多個優(yōu)化因 素,需要更多人工干預取舍,因此數字芯片設計相較于模擬芯片設計更容易實現自動化,對 應來說,EDA 工具在數字芯片設計過程中參與度更高。 從復雜度來看,數字芯片設計流程更復雜、規(guī)模更大,因此對 EDA 工具產品豐富度要求更高。 1975 年以來,摩爾定律強調單位面積芯片上的晶體管數量每兩年翻番,這對數字芯片的設計 和制造提出了更高的規(guī)模、工藝和更迭速度要求。從晶體管集成規(guī)模和芯片制程上來看,在 數字芯片方面,蘋果迄今打造的最大面積芯片 M1 Max 采用 5nm 制程工藝,封裝晶體管數 570 億個。而在模擬芯片方面,模擬芯片使用的制程主要采用 0.18μm/0.13μm,部分工藝使 用 28nm,其特點是非尺寸依賴,更多要求的是工藝、器件、電路設計的反復迭代。從迭代速 度來看,數字芯片生命周期為 1-2 年,而模擬芯片的生命周期一般在 5 年以上。 綜上,對 EDA 工具使用者來說,數字芯片設計的學習門檻相對較低,且在設計流程上更能實 現團隊作戰(zhàn)、流水線生產,因此從供應和需求兩方面來看數字芯片設計的從業(yè)者群體規(guī)模更 大,即對應的 EDA 工具需求量更大。在電路設計過程中,每個設計步驟需要一個或多個 EDA 工具進行設計、仿真或驗證。數字電 路設計包含功能設計、邏輯綜合、物理實現以及電路與版圖分析驗證等過程,并以門級網表 的產生為界,通常分為數字前端和數字后端兩部分。數字前端設計流程從設計需求說明開始, 再用硬件描述語言(HDL,Hardware Description Language)對電路以寄存器級傳輸為基礎 進行描述,實現對芯片功能的編碼;對于該步驟,通過仿真工具對編碼進行功能仿真,檢驗設 計代碼的正確性;然后通過邏輯綜合(Logic Synthesis)將 RTL 級描述轉化為門級表達,經過靜態(tài)時序仿真(STA,Static Timing Analysis)和門級仿真(Gate Simulation)以后,進行 DF T 驗證。數字后端設計流程負責將前端設計生成的門級網表實現為可生產的物理版圖。通過自 動布局布線工具將門級網表中使用到的各種單元和宏模塊在版圖上進行合理擺放、連接,形 成布局布線后的門級網表和版圖;對布局布線后的版圖進行檢查驗收(Signoff,具體包括如 寄生參數提取、時序分析和優(yōu)化、物理驗證,邏輯等效檢查)等工作,確認設計不存在功能和 物理規(guī)則上的問題后進行版圖集成,形成最終交付晶圓代工廠流片、生產的版圖。模擬電路的設計從原理圖設計開始,原理圖包含抽象化的器件符號及連線。為了確保電路工 作正確,設計師需要用到電路仿真工具來模擬電路的功能、性能等,并根據仿真的結果不斷 優(yōu)化電路設計。電路仿真完成后,芯片設計進入版圖設計環(huán)節(jié),版圖設計主要包括版圖的布 局和布線——設計師需要通過版圖設計工具將每個器件放置到合適位置,并用圖形將各個器 件進行正確的連接。版圖設計完成后,設計師需要對物理版圖進行物理驗證,以確保版圖與 原理圖一致并且符合晶圓制造的要求。完成物理驗證后,設計師還需對版圖進行寄生參數提 取,產生包含寄生參數的后仿真電路網表,并進行版圖后仿真及分析,比如對壓降和電流密 度等進行可靠性分析。

根據產品構成來看,EDA 工具被分為五大類:硅知識產權(SIP,Semiconductor Intellectual Property)、仿真模擬工具(CAE,Computer-Aided Engineering)、集成電路物理設計與驗證 工具(IC Physical Design and Verification)、PCB & MCM(Printed Circuit Board and MultiChip module)工具以及服務收入。 SIP 是指已驗證、可復用、具有某種確定功能的集成電路模塊,能夠作為新設計的一部分向其 他人提供商業(yè)上的可用性。在芯片設計過程中,通過使用改電路模塊設計軟件塊,從而減少 設計工作量,縮短設計周期,提高芯片設計的成功率。仿真模擬工具(CAE)包括電子系統(tǒng)級 設計工具(electronic system level, ESL)、綜合驗證工具(Synthsis and Verification)、設計 輸入工具、邏輯驗證工具、形式化驗證等,其功能與通用的 CAE 軟件具有原理與功能上的相 似性。集成電路物理設計與驗證工具(IC Physical Design and Verification)支持在單元(cell)、塊 (block) 和全芯片(chip)等級別上的數字、模擬和數?;旌闲盘栐O計的物理實現。它還提供 了通過嵌入式物理驗證工具進行物理設計調試和驗證的支持。此外,它可以加載第三方驗證 錯誤文件,并在布局和原理圖上顯示違規(guī)情況。 PCB & MCM(Printed Circuit Board and Multi-Chip module)工具包括 PCB 原理圖輸入, PCB 分析,IC 封裝分析,PCB 仿真模擬,PCB 物理設計,IC 封裝物理設計等。其中,印制 電路板(PCB)是由玻璃纖維、復合環(huán)氧樹脂或層壓材料制成的薄板,用于固定和連接電子 設備中的機械和電子組件;多芯片組件(MCM)是指多個集成電路芯片電連接于共用電路基 板上,并利用它實現芯片間互連的組件。2.1.2 全球 EDA 市場規(guī)模穩(wěn)步增長全球 EDA 軟件市場規(guī)模呈加速增長態(tài)勢。根據 ESD Alliance 數據顯示,2022 年上半年,全 球 EDA 軟件市場規(guī)模為 72.89 億美元,較 2021 年上半年同比增長 14.82%;2021 全球 EDA 軟件市場規(guī)模為 132.75 億美元,同比增長 14.76%;2016-2021 年 EDA 軟件市場規(guī)模 CAG R 為 9.27%,2011-2021 年 EDA 軟件市場規(guī)模 CAGR 為 8.04%。EDA 軟件作為半導體行業(yè)上 游,市場規(guī)模變化與下游集成電路市場景氣度息息相關。2007-2021 年間,集成電路行業(yè)的 市場規(guī)模同比變化趨勢與 EDA 行業(yè)基本保持一致,但變化幅度較大。2021 全球集成電路市 場規(guī)模為4630億美元,同比增長 28.18%,2016-2021年集成電路市場規(guī)模 CAGR為 10.84%,2011-2021 年集成電路市場規(guī)模 CAGR 為 6.48%。

中國 EDA 行業(yè)處于高速增長期,中國集成電路行業(yè)高景氣加速 EDA 產業(yè)發(fā)展。據中國半導 體行業(yè)協(xié)會(CSIA)數據顯示,2020年中國EDA 行業(yè)市場規(guī)模為93.1億元,同比增長 27.71%, 遠高于同年全球 EDA 市場規(guī)模 13.23%的同比增速。據 CISA 預測,2025 年中國 E DA 市場 規(guī)模為 184.9 億元,2020-2025 年,中國 EDA 市場規(guī)模 CAGR 為 14.7%,處于加速發(fā)展期。 2020 年中國集成電路市場規(guī)模為 8848 億元,同比增長 17%;2021 年中國集成電路市場規(guī) 模為10996億元,同比增長 24.28%;2016-2021年,中國集成電路市場規(guī)模 CAGR為 20.4 6%, 高于全球集成電路市場規(guī)模增速。分產品結構看,2007-2021 年,SIP 市場份額提升明顯,CAE/IC 物理設計和驗證/PCB&MCM/ 服務市場份額較為穩(wěn)定。根據電子系統(tǒng)設計聯盟(ESD Alliance)數據顯示,2021 年, SIP/CAE/IC 物理設計和驗證 /PCB&MCM/ 服 務 ,五大類 EDA 工具收入分別為 50.06/41.08/25.01/12.06/4.55 億美元,同比增長 23.95%/12.20%/7.01%/15.02%/43. 12%, 占 2021 年 EDA 市場規(guī)模的 37.71%/30.95%/18.84%/9.08%/3.43%;2022 年上半年,五大 類 EDA 工具收入分別為 28.53/22.56/12.88/6.40/2.52 億美元,較 2021 年上半年同比增長分 別為 14.82%/23.09%/13.42%/1.91%/11.65%/22.98%,分別占 2022 年上半年全球 EDA 市場 規(guī)模的 39.14%/30.94%/17.67%/8.79%/3.46%。截至 2022 年上半年,美洲地區(qū)為全球 EDA 最主要需求區(qū)域,亞太地區(qū)是 EDA 市場規(guī)模增 長的主要來源。根據 ESD Alliance 數據,2022 年上半年,美洲地區(qū)購買 EDA 產品和服務 31.66 億美元,同比增長 19.36%,占比 43.43%;歐洲/中東/非洲地區(qū)購買 EDA 產品和服務 9.06 億美元,同比增長 5.08%,占比 12.4%;日本購買 EDA 產品和服務 5.16 億美元,同比 增長 3.85%,占比 7.1%;亞太地區(qū)(不含日本)購買 EDA 產品和服務 27.01 億美元,同比 增長 15.56%,占比 37.1%。比較全球近 5 年和近 10 年年均復合增長率,亞太地區(qū)(不含日本)增長最快,過去 5 年年均復合增長率為 12.73%,過去 10 年年均復合增長率為 13. 38%。

2.1.3 三巨頭壟斷下的全球 EDA 市場競爭格局EDA 行業(yè)集中度高,三巨頭壟斷優(yōu)勢明顯。按照收入規(guī)模劃分,當前全球 EDA 企業(yè)主要分為 三個梯隊:1)Cadence、Synopsys 和 Siemens EDA 三者憑借全流程 EDA 工具居于壟斷地 位,穩(wěn)居第一梯隊,約占全球市場營收的 75%;2)Ansys、Silvaco、Aldec、ZUKE N、華大 九天等,在市場耕耘較長時間,擁有部分全流程工具和部分特色點工具,居于第二梯隊,約占 全球市場營收的 15%;3)國內大部分擁有部分仿真驗證點工具的 EDA 公司主要集中在第三 梯隊,如概倫電子、廣立微、國微思爾芯、芯愿景等,約占全球市場營收的 7%。EDA 行業(yè)發(fā)展 40 年來,“三足鼎立”格局逐步穩(wěn)固。1984-2021 年,Synopsys、Cadenc e 和 Mentor Graphics 三家企業(yè)的合計營收從 11%提升至 75%。2021 年,Synopsys 營收 42.04 億美元,較上年同比增長 14.08%,約占全球市場份額的 32%,過去 10 年營收年均復合增長 率為 10.60%。Cadence 營收 29.88 億美元,較上年同比增長 13.37%,約占全球市場份額的 23%,過去 10 年營收年均復合增長率為 10.02%。Mentor Graphics 于 2017 年 3 月,被西門 子以 45 億美元收購,并加入了西門子的 PLM 軟件部門。根據 TrendForce 于 2022 年 8 月發(fā)布的 EDA 軟件報告顯示,2021 年,Siemens EDA 約占據全球 13%的市場份額,由此推測出 2021 年 Siemens EDA 2021 年營收約為 17.25 億美元,過去 10 年營收年均復合增長率約為 5.45%。三巨頭在實現 EDA 工具全流程覆蓋的同時,憑借其強項各占一隅。Synopsys、Cadence、 Siemens EDA 三家巨頭提供的EDA 工具覆蓋半導體產業(yè)鏈所有環(huán)節(jié),且各自擁有拳頭產品, 并與全球領先半導體企業(yè)合作;Synopsys 主攻數字芯片設計、靜態(tài)時序驗證確認以及 S IP 產 品,長期與臺積電、英特爾、三星、Ansys、是德科技等客戶合作;Cadence 主攻模擬/數模 混合平臺、數字后端、DDR4 IP 等,長期與臺積電、FDXcelerator、Global Foundries、ARM 等客戶合作;Siemens EDA 主攻后端驗證、可測試性設計、光學臨近修正等環(huán)節(jié),長期與臺 積電、ARM、XILINX、AMD 等客戶合作。兼并收購是 EDA 行業(yè)寡頭壟斷局面形成的重要因素,也是 EDA 三巨頭持續(xù)推陳出新的重要 動力來源。EDA 企業(yè)通過兼并收購能夠快速獲得互補產品,并與已有的 IC 設計工具串聯,不 斷完善產品矩陣,提供更加完備的解決方案,并將潛在挑戰(zhàn)者扼殺在萌芽狀態(tài),進而進一步 鞏固壟斷地位。其次,兼并收購能夠通過多元化經營的方式分散風險,例如 Synopsys 和 Cadence 的 SIP 業(yè)務一定程度上跳脫了 EDA 工具軟件,以增加經營項目的方式實現增收, 且有利于促進 EDA 產品與集成電路設計、制造之間的關聯。

“自研+并購”的結合是 EDA 企業(yè)有效整合資源,迅速補齊短板的重要手段。高額的研發(fā)投 入是 EDA 軟件技術進步的重要保障,也是頭部 EDA 軟件企業(yè)保持市場競爭力的關鍵。 Cadence 和 Synopsys 研發(fā)費用率長期保持在 30%以上,Siemens EDA 原身為 Mentor Graphics,在 2016 年被西門子收購后,不再公開具體研發(fā)投入數據,但根據 2006 年至 2016 年數據可知,Mentor Graphics 的研發(fā)費用率也長期保持在 30%以上。2021 年中國華大九天、 概倫電子、廣立微等部分 EDA 企業(yè)研發(fā)費用率也保持在 30%以上,但由于在營收規(guī)模上存 在差距,中國 EDA 企業(yè)在研發(fā)費用上仍顯不足。2021 年,Synopsys 研發(fā)費用投入為 15.05 億美元,研發(fā)費用率為 35.79%;Cadence 研發(fā)費用投入為 11.34 億美元,研發(fā)費用率為 37.96%;華大九天研發(fā)費用為 3.05 億元,研發(fā)費用率為 52.57%;概倫電子研發(fā)費用為 0.79 億元,研發(fā)費用率為 40.99%;廣立微研發(fā)費用為 0.65 億元,研發(fā)費用率為 33.05%。2.1.4 美國政策趨嚴,EDA 國產替代加速美國對面向中國出口 EDA 產品的政策趨嚴。21 世紀以來,美國政府對中國在 EDA 領域共發(fā) 起三次出口管制,管制手段從個別企業(yè)擴大到面向先進制程的所有中國企業(yè)。第一次是針對 中興,2018 年美國商務部將中興通訊列入實體清單,禁止中興通訊從美國購買零部件。第二 次是針對華為,2019 年 EDA 三巨頭終止了與華為海思的合作,2020 年美國商務部提升對華 為及海思的出口管制要求,要求使用美國軟件、設備和技術的半導體公司須獲美國政府許可 才能向華為供貨。第三次于 2022 年 8 月,美國商務部工業(yè)和安全局把開發(fā) GAAFE T(全柵 場效應晶體管)必需的 EDA 軟件納入出口管制。此外,美國對集成電路行業(yè)的政策封鎖也會 對中國 EDA 產業(yè)造成不利影響,例如 2022 年 10 月禁止美國籍人才為中國半導體行業(yè)工作 的政策,會直接影響部分 EDA 企業(yè)的核心高管、技術人員和相關專利。 國產 EDA 工具相較于國際龍頭企業(yè),在全流程和先進制程上仍有不小差距,國產化率水平較 低。從市場競爭格局來看,2021 年,Synopsys 在中國地區(qū)的營收 36.58 億元,約為同年華 大九天在中國地區(qū)營收的 6.31 倍。從產品線來看,國產 EDA 企業(yè)主要集中在點工具的供給 上,尤其是在數字電路 EDA 工具方面尚未實現全流程覆蓋。其次,從制程工藝上來看,中國 僅有部分 EDA 企業(yè)的部分點工具能夠滿足 3nm 先進制程的需要,尚未實現先進制程全流程 EDA 工具國產化,而根據臺積電官網顯示,Ansys、Cadence、Siemens EDA 和 Synopsys 分別有多類產品經過臺積電 N3E 制程節(jié)點的認證,并已經有部分工具正在使用中。國家政策對 EDA 企業(yè)的支持是推動國產 EDA 軟件發(fā)展的重要力量。國家政策對 E DA 企業(yè) 的支持主要來自兩方面,一是各層級政府政策支持、激勵與補助。政府政策支持從頂層設計 向各省市、各行業(yè)細化。2022 年 10 月,《深圳市關于促進半導體與集成電路產業(yè)高質量發(fā)展 的若干措施(征求意見稿)》中提到,對購買國產 EDA 工具軟件的企業(yè)或科研機構,按照不 超過實際支出費用的 70%給予補助,每年最高 1000 萬元;對租用國產 EDA 工具軟件的企業(yè) 或科研機構,按照不超過實際支出費用的 50%給予補助,每年最高 500 萬元。2022 年 11 月 13 日,上海市經濟信息化委、市財政局印發(fā)《上海市集成電路和軟件企業(yè)核心團隊專項獎勵 辦法》,對于年度主營業(yè)務收入首次突破 15 億元/10 億元/5 億元/2.5 億元的集成電路電子設 計自動化(EDA)工具開發(fā)企業(yè),分別給予核心團隊累計不超過 3000 萬元/2000 萬元/1000 萬 元/500 萬元的獎勵。另一方面是大基金的投資,截至 2022 年三季度,國家集成電路產業(yè)投 資基金股份有限公司在華大九天持股 8.88%,在鴻芯微納通過大股東深圳鴻泰鴻芯股權投資 基金合伙企業(yè),持股 38.68%。2.2 半導體設備零部件:設備上游核心支柱,自主可控刻不容緩2.2.1 分類方式多,廣泛應用于前道設備及工藝半導體設備零部件是指在材料、結構、工藝、品質和精度、可靠性及穩(wěn)定性等性能方面達到了 半導體設備及技術要求的零部件,作為半導體設備的重要組成部分,零部件的質量、性能和 進度優(yōu)劣直接決定了半導體設備的可靠性和穩(wěn)定性,重要性不言而喻。從產業(yè)鏈角度,零部 件位于半導體設備上游,零部件上游則為鋁合金材料以及其他金屬非金屬原材料等。

零部件種類眾多,分類方式也多種多樣: 按照集成電路設備腔體內部流程分,可以分為 5 大類:分別為電源和射頻控制類、氣體輸送 類、真空控制類、溫度控制類、傳送裝置類。 按照主要材料和使用功能分,可以分為 12 大類:分別為硅/碳化硅件、石英件、陶瓷件、金屬 件、石墨件、塑料件、真空件、密封件、過濾部件、運動部件、電控部件、其他部件。 按照服務對象分,可以分為 2 類:分別為精密機加件、通用外購件。 按照類型分,可以分為 6 類:分別為機械類、電氣類、機電一體類、氣體/液體/真空系統(tǒng)類、 儀器儀表類、光學類。具體產品方面,在設備及產線上應用數量較多的主要零部件產品有 O-Ring 密封圈、精密軸 承、金屬零部件、Valve 閥、泵、MFC 流量計等,基本涉及了包括光刻、刻蝕、薄膜沉積、 CMP 拋光、氧化、清洗、離子注入、RTP 等在內的全部主流工藝步驟。因此零部件的性能直 接決定了設備的性能,是半導體設備制造過程中非常重要的一環(huán)。半導體零部件行業(yè)特點同樣明顯,表現為高技術密集、學科交叉融合、市場規(guī)模占比小且分 散,但在價值鏈上卻舉足輕重等特點。 1)技術密集型行業(yè),對精度和可靠性要求高:由于需要組成半導體設備,用于芯片生產,因 此其尖端技術密集的特性尤其明顯,有著精度高、批量小、多品種、尺寸特殊、工藝復雜、要 求苛刻等特點。此外,還需要兼顧強度、應變、抗腐蝕、電子特性、電磁特性、材料純度等復 合功能要求;2)多學科交叉融合,對復合型人才需求大:零部件行業(yè)往往涉及到材料、機械、物理、電子、 精密儀器等多學科知識,因此對復合型、交叉型人才的需求較為迫切; 3)行業(yè)碎片化特征明顯,企業(yè)多采用并購及多產品線發(fā)展策略:半導體零部件種類多,單一 細分領域市場規(guī)模小,呈現出碎片化特點。此外,由于零部件技術門檻高、制造工序繁瑣,行 業(yè)內多數企業(yè)只專注于個別生產工藝,或專注于特定精密零部件產品,行業(yè)相對分散,因此 企業(yè)多通過并購方式做大做強,半導體零部件往往只是公司整體零部件業(yè)務中的一塊。2.2.2 歐洲、美國、日本廠商主導市場2005-2020 年,受消費電子、PC 等下游景氣度提升拉動,全球半導體需求整體向好,根據 SEMI 及 SEAJ 數據,全球半導體設備市場規(guī)模呈現總體上升趨勢,2005 年為 328.8 億美元; 2021 年達到歷史最高的 1025 億美元,同比增長 44%;SEMI 預計 2022 年將達到 1085. 4 億 美元,同比增長 5.9%,2023 年將達到 912 億美元,2024 年將達到 1071.6 億美元。

在半導體設備成本構成中,零部件產品占比超過 90%,國際半導體設備廠商毛利率普遍在 40- 45%,因此零部件市場規(guī)模約為半導體設備市場規(guī)模的 50-55%,因此 2021 年全球半導體設 備零部件市場規(guī)模約為 513 億美元,中國大陸半導體設備零部件市場規(guī)模約為 148 億美元。 根據 SEMI 關于全球半導體設備市場規(guī)模的預測,預計半導體設備零部件市場規(guī)模 2022 年 約為 542.7 億美元,2023 年約為 456 億美元,2024 年約為 535.8 億美元。 全球半導體零部件廠商市場格局中,主要以歐洲、美國、日本企業(yè)為主。根據 TechInsights 數 據,2021 年全球 Top 10 零部件廠商分別為蔡司、MKS、愛德華、先進能源、Horiba、VAT、 Ichor、超科林、ASML、荏原。2.2.3 技術難度大,國產化率低根據芯謀研究數據,2020 年中國大陸晶圓廠采購的 8-12 英寸設備零部件產品種類豐富,其 中石英(Quartz)、射頻發(fā)生器(RF Generator)、泵(Pump)排名前 3,占 比分 別為 11%/10%/10%,閥門(Valve)、吸盤(Chuck)占比均為 9%,此外還包括反應腔噴淋頭(Shower Head)、邊緣環(huán)(Edge Ring)等。零部件自給率仍然偏低。根據芯謀研究數據,石英(Quartz)、反應腔噴淋頭(Shower Head)、 邊緣環(huán)(Edge Ring)自給率超過 10%;泵(Pump)和陶瓷件(Ceramic)自給率 5-10%; 射頻發(fā)生器(RF Generator)、機械臂(Robot)和氣體流量計(MFC)自給率 1-5%;閥門 (Valve)、測量儀(Gauge)和 O 形密封圈(O-Ring)自給率不足 1%。整體而言,半導體 零部件國產替代空間大。 上述產品對應海外公司主要有 Ferrotec、Heraeus、Tokai Carbon、新鶴、MKS、VAT、Hori ba 等,中國廠商主要有菲利華、太平洋石英、神工半導體、靖江先鋒、江豐電子、沈陽科儀、蘇 州柯瑪、新松機器人、北方華創(chuàng)等。雖然目前零部件國產化率不高,但同樣需要認識到,半導體零部件技術難度大,對 精密機械 制造技術、表面處理特種工藝技術、焊接技術等要求較高,因此,企業(yè)需要不斷研發(fā)生產工藝 技術以滿足產品高精密、高潔凈、超強耐腐蝕能力、耐擊穿電壓的要求,并實現較高的生產效 率,從而滿足半導體設備的工程化和量產化。 此外,半導體設備廠商為了降低成本和提升生產效率,將會簡化零部件供應鏈,并對標準化、 模塊化、流程化、精密度、潔凈度等提出更高要求,未來能提供多種工藝、多品類產品、生產 更加智能化的零部件廠商將會具備更強的競爭力。2.2.4 中國廠商積極布局目前在晶圓代工廠日常運營過程中領用的零部件(括維保更換和失效更換的零部件)達到 2000 種以上,但國產占有率僅為 8%左右,美國和日本占有率分別為 59.7%和 26.7%。高端 零部件方面,主要被美國、日本、歐洲廠商主導,中低端零部件方面,主要被韓國、中國臺灣 廠商占據。 近年來,隨著美國對中國半導體行業(yè)的封鎖愈演愈烈,國產替代已成為全行業(yè)共同呼聲,對 應零部件廠商也積極加大研發(fā)力度,不斷提升研發(fā)水平和產能,雖然仍然與國際龍頭企業(yè)有 一定差距,但是國產廠商目前已經在多個領域實現了突破,包括北方華創(chuàng)、新萊應材、江豐電子、富創(chuàng)精密、華亞智能、華卓精科、萬業(yè)企業(yè)(Compart)等眾多廠商已經實現相關零部件 產品的量產,并且未來還將進一步拓寬品類、擴大產能、向先進制程精進,不斷提升中國半導 體零部件技術水平和國產化率水平。

半導體晶圓廠擴產給上游設備帶來發(fā)展機遇,進而有利于本土零部件廠商快速發(fā)展 ,疊加現 階段國產化率較低的現狀,我們認為未來零部件未來幾年有望保持高景氣,看好半導體零部 件行業(yè)在晶圓廠擴產及國產化率提升雙輪驅動下的高成長。2.3 半導體設備:半導體產業(yè)鏈核心支柱,全球需求有望繼續(xù)擴大半導體設備泛指用于制造各類半導體產品所用的生產設備,屬于半導體產業(yè)鏈的關鍵支撐環(huán) 節(jié)。半導體設備的技術升級與半導體制造的工藝發(fā)展相輔相成。半導體設備的技術 升級為半 導體制造工藝創(chuàng)造了發(fā)展空間,而半導體制造工藝的改進是半導體設備實現技術突破的推動 力。在半導體制造的工藝流程中,半導體設備扮演著十分重要的角色。 半導體制造的步驟繁多且精細,主要可分為三大類:硅片制造、前道晶圓制造和后道封裝測 試。在硅片制造流程中,首先需將多晶硅提純后得到單晶硅棒,經過磨外圓、切片得到初始硅 片,之后再進行倒角、研磨、拋光、清洗和檢測等工藝,最終得到可用于生產加工的半導體硅 片。其間主要設備包括單晶爐、滾圓機、切片機、倒角機、研磨機、拋光機、清洗設備和檢測 設備等。在 IC 設計完成之后,就進入到正式的芯片制造環(huán)節(jié)。晶圓制造流程是芯片制造中最為核心的環(huán)節(jié),晶圓制造的七大步驟分別為熱處理(氧化/擴散 /退火)、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、清洗和拋光。通常熱處理、光刻、刻蝕、離子注 入、薄膜沉積、清洗步驟需要重復進行若干次,之后進行 CMP 及金屬化,最終還需要進行前 道量測,只有量測合格的晶圓才能進入封裝測試環(huán)節(jié)。其間主要設備包括熱處理設備(氧化 爐/擴散爐/退火爐)、光刻機、涂膠顯影/去膠設備、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設備 (PVD/CVD/ALD)、清洗機、CMP 設備和晶圓量測設備(厚膜/OCD 關鍵尺寸量測設備、電子書量測設備)等。 封裝測試包括封裝和測試兩個環(huán)節(jié),封裝過程主要包括背面減薄、晶圓切割、貼片、引線鍵 合、模塑和切筋/成型,需用到減薄機、切割機、貼片機、烤箱、引線鍵合機、注塑機以及切 筋/成型設備等。封裝結束后做最后的成品測試,主要用到測試機、探針臺、分選機等。測試 合格后的芯片將被應用于消費電子、IoT、汽車電子、工控、醫(yī)療、通信等各下游領域。根據 SEMI 數據,全球半導體設備銷售額不斷上升,2021 年銷售額為 1205 億美元,同比增 長 44%。根據 WSTS 數據,全球集成電路銷售額在 17 年間整體趨勢向上,2021 年銷售額達 5559 億美元;按區(qū)域分類,亞太區(qū)為全球最大的集成電路銷售市場,2021 年銷售額達 3429.67 億美元,占比超 50%。在全球集成電路銷售額不斷突破前值的情境下,全球半導體設備銷售 額與集成電路銷售額之比從 2013 年的 10%穩(wěn)步上升至 2021 年的 18%。 展望未來,受益于 5G、汽車電子、IoT、數據中心和 AI 的需求拉動,頭部晶圓廠為應對各類 芯片缺貨不斷擴充產能,廠商紛紛擴大投資,帶動大量半導體設備的采購需求,因此未來全 球半導體設備市場前景可期。據 SEMI 預測,2023 年和 2024 年的全球半導體設備銷售額將 分別達到 912 億美元和 1071.6 億美元,同比增速分別為-16%和 18%。據 WSTS 預測,2022 年和 2023 年的全球集成電路銷售額將達到 5801 億美元和 5566 美元,其中亞太區(qū)的集成電 路銷售額或將分別回落至 3361.51 億美元和 3110.05 億美元。全球半導體設備市場主要由光刻相關設備、刻蝕設備和薄膜沉積設備所主導,合計市占率約 為 58%??傮w來看,全球半導體設備的生產廠商主要集中在歐洲、美國和日本,中國本土的 半導體設備廠商的市占率有待提高,國產替代空間仍較大。目前中國半導體設備的國產化率 已接近 20%;其中已實現較高國產化率的設備為去膠設備(<70%)。展望未來,隨著中國半 導體設備制造商持續(xù)擴充產能、加大研發(fā)以及拓寬品類,中國半導體設備行業(yè)有望充分受益。2.3.1 硅片制造設備:需求持續(xù)上升,大硅片制造設備為未來主力生產半導體硅片是實現半導體制造的第一步,主要設備涵蓋單晶爐、滾磨機、切片機、倒角 機、研磨設備、CMP 拋光、清洗設備、檢測設備等。每一項設備對于硅片生長都不可或缺。設備供應商以國外廠商為主,中國廠商由于起步晚,相對落后,但是在單晶爐、滾磨機、CMP 拋光機、清洗設備等環(huán)節(jié)也實現了一定的自主可控。 單晶爐是最重要的硅片制造設備。單晶爐在全球范圍內的供應商主要有德國 PVA TePla AG 和 Gero,日本 Ferrotec、美國 Quantum Design 和 Kayex。其中德國 PVA TePla AG、美國 Kayex 與日本 Ferrotec 為主要的供應商,在全球的市場份額較高。PVA TePla AG 集團在歐洲晶圓生 長晶體設備市場的市占率高達九成以上。中國廠商已具備單晶爐生產能力,代表廠商為晶盛 機電。2022 年上半年,晶盛機電已實現 8 英寸晶體生長、切片、拋光和 CVD 等環(huán)節(jié)的設備 全線覆蓋,12 英寸的長晶、切片、拋光和研磨等設備已實現批量銷售。 半導體硅片是行業(yè)發(fā)展的基礎,全球硅片出貨面積有望持續(xù)上升,帶動硅片制造設備的需求。 據 SEMI 數據,2020 年硅片約占據晶圓制造材料規(guī)模的 35%,為占比最多的材料。據 SEMI 數據,全球半導體硅片出貨面積持續(xù)高升,從 2011 年的 9043 百萬平方英寸上升至 2021 年 的 14017 百萬平方英寸,總漲幅為 55.16%。SEMI 預計,2025 年全球半導體出貨面積將上 升至 16490 百萬平方英寸。

8 英寸和 12 英寸硅片制造設備或將繼續(xù)成為主力。目前 8 英寸和 12 英寸大硅片通常應用于 90-55nm 與 28-5nm 制程芯片的制備。據 SEMI 數據,8 英寸硅片占比為 24%,12 英寸硅片 占比為 69%。未來隨著新增 12 英寸晶圓廠不斷投產,12 英寸硅片仍將是主流,小尺寸硅片 將逐漸被淘汰(短期內 8 英寸硅片除外)。目前,量產硅片止步 300mm(12 英寸),450mm (18 英寸)硅片由于設備及制造成本過高仍未商用。據 SEMI 預測,每塊 450mm 晶圓的單 位面積芯片成本只下降 8%,此時,晶圓尺寸不再是降低成本的主要途徑,因此廠商難以有動 力投入 450mm 量產。2.3.2 光刻機:ASML 為全球龍頭,引領光刻機制程升級光刻機被譽為半導體工業(yè)中“皇冠上的明珠”,是光刻工藝的核心設備。光刻工藝一般包括脫 水烘烤、旋轉涂膠、軟烘、曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜烘焙、顯影檢查等 8 個步驟。光刻 機在曝光環(huán)節(jié)中使用。光刻機的功能在于利用光源系統(tǒng)將光束投射在光掩膜上,再通過物鏡 組彌補光學誤差并將光掩膜上的芯片藍圖縮小投射在涂有光刻膠的硅片上。在半導體復雜的 制造流程中,光刻工藝有著不可或缺的作用。光刻機作為實現光刻工藝的核心設備,是芯片產業(yè)蓬勃發(fā)展的基石。隨著光源、曝光方式不斷改進,光刻機前后共經歷了 5 代產品,每一代產品都在不斷降低光 源波長,同時縮小芯片制程。第四代浸入步進式光刻機(ArFi 光刻機)的最低制程可實現 7nm。 第五代光刻機為 EUV 光刻機,其采用波長為 13.5nm 的 EUV 極紫外光源,制程節(jié)點為 7- 3nm,是目前最先進的光刻機。 由于光刻機制造具有高壁壘性,因此市場上的光刻機制造商寥寥無幾。光刻機制造企業(yè) 中的 Top3 分別為 ASML、Nikon 和 Canon,三者市場集中度超過 90%。2011 至 2021 年,TOP3 光刻機制造商的出貨量呈先降后升趨勢,2021 年總出貨量達 478 臺,主要以 i-line、KrF 和 ArFi 光刻機為主。2011 至 2021 年,TOP3 廠商的銷售額基本處于上漲趨勢,2021 年的總規(guī) 模達 143.90 億歐元,主要以 EUV 和 ArFi 光刻機為主。在 TOP3 廠商中的市場競爭格局中,以出貨量計算市場份額,ASML 十年間維持在第一水平, 2021 年占比為 65%。Nikon 的出貨量市占率逐步走低,從 2011 年的 24%縮減至 2021 年的 6%。Canon 的出貨量市占率穩(wěn)步提高,從 2011 年的 14%增長至 2021 年的 29%。以銷售額 計算市場份額,ASML 更顯龍頭地位,其市場份額從 2011 年的 78%提升至 2021 年的 91%。 Nikon 的銷售額市占率從 2011 年的 19%跌至 2021 年的 3%。Canon 的銷售額市占率基本維 持穩(wěn)定在 6%的水平。2.3.3 涂膠顯影設備前景開闊,干法去膠設備實現份額優(yōu)勢涂膠顯影設備是與光刻機配套使用在光刻工藝中的關鍵設備,主要負責曝光前在硅片上涂覆 光刻膠,以及曝光后進行圖像顯影,期間通過機械手臂使晶圓在各系統(tǒng)之間傳輸和處理。涂 膠和顯影不僅直接影響光刻工序曝光圖案的形成,圖形質量對后續(xù)刻蝕和離子注入等工藝中 圖形轉移的結果也有著重要影響。 涂膠顯影設備可按照所處工藝環(huán)節(jié)的不同分為前道設備和后道設備,其中前道涂膠顯影設備 為主要設備,被運用在晶圓制造環(huán)節(jié);根據 VLSI 數據,2020 年前道涂膠顯影設備占涂膠顯 影設備總市場規(guī)模的 95.9%。根據 VLSI 數據,2020 年全球前道涂膠顯影設備市場規(guī)模為 19.06 億美元,2021 年約為 23.24 億美元,預計到 2023 年將上升至 24.76 億美元。據華經 產業(yè)研究院數據,2020 年中國前道涂膠顯影設備市場規(guī)模為 7.55 億美元,2021 年約為 9.35 億美元,預計到 2021 年將上升至 10.26 億美元。

目前國際上主流的涂膠顯影設備生產商主要集中在日本、德國和韓國,分別是東京電子、迪 恩士、蘇斯微、細美事等,其中東京電子的全球市占率達 88%,迪恩士、細美事和蘇斯微合 計占比 10%,其他廠商占比 2%。在中國的涂膠顯影設備市場中,東京電子和迪恩士分別占 據 91%和 5%的市場份額,芯源微的涂膠顯影設備在中國的市占率達 4%。芯源微的前道涂膠 顯影機 offline、i-line 和 KrF 機臺均已實現批量銷售,并已開始部分量產 28nm 技術節(jié)點的涂 膠顯影設備。去膠設備主要用于曝光后將光刻膠從晶圓上移除,以此來保證晶圓順利進入下一步制造步驟 。 去膠工藝可分為濕法去膠和干法去膠,濕法去膠主要采用溶劑對光刻膠進行溶解;干法去膠 主要采用離子轟擊的方法去除表面光刻膠,為當前主流技術。 據 Gartner 數據,2020 年全球干法去膠設備市場規(guī)模為 5.38 億美元,2021 年約為 6.61 億 美元,預計到 2025 年將增長至 6.99 億美元,復合增長率為 5.40%。目前國際上主流的去膠 設備生產商主要集中在中國、韓國、日本和美國。據 Gartner 數據,2020 年屹唐股份去膠設 備市占率為 31.3%,為全球第一;北方華創(chuàng)的市占率為 1.7%,為全球第七;其余廠商以國外 企業(yè)為主,包括比思科、日立高新、泛林半導體、泰仕半導體等。2018 至 2020 年,屹唐股 份在干法去膠設備領域分別位于全球第三、全球第二和全球第一的市場地位,市場占有率逐 年提升,不斷鞏固在全球的領先地位。根據屹唐股份招股書公告,公司當前已量產的干法去 膠設備已可用于 90-5nm 邏輯芯片、1Y 到 2Xnm(約 14-29nm)系列 DRAM 芯片以及 32- 128 層 3D NAND 芯片的生產。2.3.4 刻蝕設備:芯片升級帶動刻蝕機需求,TSV 設備為先進封裝加碼刻蝕工藝是 IC 前道制造中至關重要的一環(huán),與光刻工藝和薄膜沉積并列為 IC 前道制造中的 三大核心工藝。在光刻工藝結束后,刻蝕工藝會以光刻膠所形成電路圖為模板,通過物理或 化學的手段將硅片或薄膜腐蝕,從而在硅片或薄膜上形成電路圖。同光刻工藝一道,刻蝕技 術也決定著集成電路圖形的精細程度。

刻蝕工藝主要被分為兩大類,濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕運用液態(tài)化學品(酸、堿溶液) 將硅片表面腐蝕出芯片的結構。干法刻蝕利用電子氣體轟擊硅片表面從而形成芯片結構。干 法刻蝕為當前最為主流的刻蝕方法,其市場規(guī)模約占全球刻蝕設備規(guī)模的 90%,濕法刻蝕約 占 10%。濕法刻蝕分為兩大類,化學刻蝕和電解刻蝕。干法刻蝕主要分為三大類,等離子體 刻蝕(化學性刻蝕)、濺射刻蝕(物理性刻蝕)和反應離子刻蝕。濕法刻蝕在控制線寬和各向 異性度方面有所局限,無法實現 3μm 以下的線寬,同時只能保持各項同性(有一定程度的鉆 蝕發(fā)生)。干法刻蝕的優(yōu)點在于能夠實現線寬 3μm 以下的刻蝕,同時能夠較好的保持各向異 性,刻蝕均勻性和選擇比都可控。將干法刻蝕按照刻蝕材料細分可分為三類,介質刻蝕、硅刻 蝕和金屬刻蝕。根據 PW Consulting 的數據,2020 年介質刻蝕占據干法刻蝕市場 49%的份 額,硅刻蝕占比 48%,金屬刻蝕占比 3%。 根據 Gartner 數據,2019 至 2021 年全球刻蝕設備市場規(guī)模分別為 110 億美元、136 億美元 和 172 億美元,呈持續(xù)增長態(tài)勢。據 Gartner 預測,2022 年全球刻蝕機的市場規(guī)模將達到 184 億美元。國外廠商方面,已能實現最小制程節(jié)點為 3nm 的覆蓋,中國廠商起步較晚,因此技術實力仍 有待提高。中微公司開發(fā)的 12 英寸高端刻蝕設備已應用于部分國際先進產線上的若干 5nm 及 5nm 以下的關鍵步驟的加工;其 ICP 刻蝕設備未來將繼續(xù)向 5nm 及以下的邏輯芯片、 1Xnm 的 DRAM 和 200 層以上的 3D NAND 上突破;其 CCP 刻蝕設備已取得 5nm 及以下邏 輯電路客戶的重復訂單,并在存儲電路方面可應用于量產 64 層、128 層與更高層數的 3D NAND;公司未來還將繼續(xù)開發(fā)用于邏輯器件制造的大馬士革刻蝕技術與用于存儲器件制造 的極高深寬比刻蝕設備。北方華創(chuàng)開發(fā)的刻蝕機已突破 14nm 技術節(jié)點,并在客戶端通過多 道制程工藝驗證,且已實現量產應用。屹唐股份的干法刻蝕設備主要可用于 65-5nm 邏輯芯 片、1Y 到 2Xnm(約 14-29nm)系列 DRAM 以及 32 層到 128 層 3D NAND 制造,設備已用 于三星電子、長江存儲等國內外知名存儲芯片制造企業(yè)。2.3.5 薄膜沉積設備:芯片層數不斷增加,薄膜沉積設備未來前景可期薄膜沉積是半導體器件制造過程中的重要環(huán)節(jié),主要讓硅片表面形成各種導電薄膜層和絕緣 薄膜層,從而使晶圓擁有多層結構。按照工作原理分類,薄膜沉積工藝大體可分為三類, PVD (物理氣相沉積設備)、CVD(化學氣相沉積設備)和 ALD(原子層沉積設備)。根據 SEMI 數據,2021 年全球薄膜沉積設備市場規(guī)模為 210 億美元,2022 年有望達 250 億美元。其中, PECVD、濺射 PVD 和管式 CVD 為市場占比最多的設備,分別為 33%、19%和 12%。

薄膜沉積設備主要被日本、美國和歐洲的廠商主導。據 Gartner 數據,PVD 設備方面,應用 材料具有絕對份額優(yōu)勢,占據 85%的市場份額;應用材料、泛林半導體和東京電子是 CV D 設 備市場中的佼佼者,分別占比 30%、21%和 19%;ALD 設備中,東京電子和 ASMI 是行業(yè)龍 頭,分別占有 31%和 29%的市場份額。隨著芯片線寬的不斷縮小,薄膜沉積設備的需求量越大。當前芯片一直在朝著微小化、精密 化和復雜化的發(fā)展方向前進,隨之帶來了晶圓制造步驟的難度提升與工序增加。在 90nm CMOS 工藝中,大約需要 40 道薄膜沉積工序,在 3nm FinFET 工藝中,所需的薄膜沉積工 序則升至 100 道。在芯片制程更小的產線中,為了在工序變復雜的同時確保產能充裕,則需 要配備更多臺薄膜沉積設備來增加單位時間吞吐量。 閃存芯片 3D 堆疊加速,薄膜沉積設備用量或將上升。3D NAND 芯片的每一層幾乎都會進行 薄膜沉積。從首塊 3D NAND 芯片發(fā)貨至今,已經實現了從 24 層到 232 層的突破,多家存儲 大廠都做出 200 層以上 3D NAND 的量產規(guī)劃,因此未來層數不斷突破是大趨勢。隨著 3D NAND 結構的復雜化,未來薄膜沉積設備需求有望擴大。 ALD 設備和 SACVD 設備或將成為未來應用趨勢。芯片結構的復雜化和精密化也衍生出了對 薄膜均勻性、顆粒數量控制、金屬污染控制要求的提高。ALD 設備的優(yōu)點在于臺階覆蓋力強 和薄膜厚度控制精準。SACVD 設備的優(yōu)點在于高深寬比溝槽填充能力強和沉積速度快。因此 ALD 和 SACVD 設備更適應未來芯片制造演變趨勢。2.3.6 離子注入設備:摻雜工藝核心設備,中國廠商進展不俗在晶圓制造中,由于純硅材料的導電性能較差,須采用摻雜工序,通過加入部分雜質來改變 半導體載流子濃度和導電類型,從而達到提升硅片導電性能的目的。通常有兩種摻雜方法, 高溫擴散法和離子注入法。 高溫擴散法:將摻雜氣體導入放有硅片的高溫爐,并將雜質擴散到硅片內。由于高溫擴散存 在精度控制的缺陷以及均勻性和重復性較差,現已較少使用。 離子注入法:通過離子注入機的加速和引導,將要摻雜的離子以離子束形式射入材料。與高 溫擴散工藝相比,離子注入的優(yōu)勢在于可對注入劑量、角度、深度、橫向擴散等方面進行精確 控制,同時還擁有純度高和均勻性好的特點,使得離子注入法在半導體制造中被廣泛應用。 離子注入設備大體可分為三類,低能大束流離子注入機、中低束離子注入機和高能離子注入 機,市場占比分別為 61%、20%和 18%。不同設備的運行原理相似,但主要應用范圍有所區(qū) 分。全球共有 6 家企業(yè)以集成電路用離子注入機為主要業(yè)務,分別為應用材料、Axcelis、SMIT、 Nissin、AIBT 和中科信。中科信已成功實現離子注入機全譜系產品國產化,包括中束流、大 束流、高能、特種應用及第三代半導體等離子注入機,工藝覆蓋至 28nm,目前正在進行先進 制程工藝設備的研發(fā)。此外,萬業(yè)企業(yè)(凱世通)積極布局低能大束離子注入機和高能離子注 入機等設備的研發(fā)與生產,目前已經覆蓋 28nm 及更先進制程到成熟制程的多個節(jié)點的技術 需求。萬業(yè)企業(yè)(凱世通)已與多家 12 英寸晶圓廠簽署離子注入機(含低能大束流離子注入 機和低能大束流超低溫離子注入機)的訂單,并已將首批多套大束流離子注入機交付重要客 戶。 中科信與萬業(yè)企業(yè)(凱世通)的離子注入設備滿足中國多數晶圓產線需求,未來中國下游客 戶有望加速導入。當前中科信與萬業(yè)企業(yè)(凱世通)的離子注入設備均能覆蓋 28nm 的技術 需求,并且都已實現低能大束流離子注入機的國產化,未來中國離子注入設備市場有望迎來 加速國產替代。2.3.7 熱處理設備實現部分國產化,清洗設備與 CMP 設備保證芯片良率晶圓前道制造工藝中還包括熱處理設備、清洗設備和 CMP 設備。熱處理設備可對晶圓在高溫 環(huán)境中進行氧化/擴散/退火工藝加工。清洗設備可將晶圓表面的殘留物或多余顆粒清除以保證 晶圓的潔凈度。CMP 設備可使晶圓平坦化。

據 Gartner 數據,2020 年全球快速熱處理設備市場規(guī)模為 7.19 億美元,氧化/擴散爐市場規(guī) 模為 5.52 億美元,柵極堆疊設備市場規(guī)模為 2.66 億美元;2021 年全球快速熱處理設備市場 規(guī)模約為 8.87 億美元,氧化/擴散爐市場規(guī)模約為 6.83 億美元,柵極堆疊設備市場規(guī)模約為 3.25 億美元。Gartner 預計,2025 年全球快速熱處理設備、氧化/擴散爐和柵極堆疊設備的市 場規(guī)模將分別增至 9.37/7.10/3.44 億美元。據 Gartner 數據,2021 年全球半導體清洗設備的 市場規(guī)模為 27 億美元,2024 年預計將增長至 31.93 億美元。據 Research and Market 的 CMP 市場報告,2020 年全球 CMP 設備市場規(guī)模達 24 億美元,預計 2027 年將增長至 37 億 美元,2020 至 2027 年的復合增長率為 5.9%。全球快速熱處理設備和 CMP 設備市場集中度高,應用材料分別占據兩種設備市場 69. 72%和 70%的市場份額。屹唐股份在全球快速熱處理設備市場中的占有率為 11.50%。半導體清洗設 備市場的行業(yè)龍頭為迪恩士,市占率達 45.1%。盛美上海在全球半導體清洗設備市場的占有 率小于 2.30%。2.3.8 后道封裝測試設備:廠商集中海外,Chiplet 加速封裝設備需求攀升據SEMI數據,2021年全球半導體封裝和測試設備的規(guī)模分別為 71.7億美元和78.3 億美元, 預計 2024 年全球半導體封裝和測試設備的規(guī)模將分別達到 65.7 億美元和 81.9 億美元。全球半導體封裝設備市場主要以貼片機、劃片機/檢測設備、引線焊接設備和塑封/切筋成型設 備為主;2018 年,貼片機占比 30%,劃片機/檢測設備占比 28%,引線焊接設備占比 23%, 塑封/切筋成型設備占比 18%,電鍍設備占比 1%。全球測試設備市場主要以測試機、分選機 和探針臺為主;2021 年,測試機占比 63.1%,分選機占比 17.4%,探針臺占比 15.2%,其他 設備占比 4.3%。
封裝設備的生產商主要集中在國外,中國只有少量企業(yè)覆蓋。貼片機廠商有荷蘭 Besi、新加 坡 ASM Pacific、美國 K&S 等,中國廠商有艾科瑞思、大連佳峰等;劃片機/檢測設備和引線 焊接設備廠商有 ASM Pacific、K&S 等,中國廠商有中電科 45 所等;塑封/切筋成型設備廠商 有 Town、YAMADA、Besi、ASM Pacific 等,中國廠商有富士三佳等。 目前全球先進測試設備制造技術基本掌握在美國、日本等廠商手中。全球后道測試機廠商中, 愛德萬和泰瑞達占據全球壟斷地位,合計占比超過 90%。中國測試機廠商有長川科技、華峰 測控、聯動科技等,其中華峰測控和長川科技分別占中國測試機市場份額的 6.1%和 2.4%。 全球探針臺廠商中,東京精密占和東京電子為全球龍頭企業(yè),占比分別為 46%和 27%,中國 探針臺廠商主要有中國臺灣旺矽、惠特、深圳矽電、長川科技、中電科 45 所等。全球分選機 廠商中,愛德萬、科休和 Xcerra 合計市占率約 59%,中國企業(yè)主要有長川科技,其全球市占 率達 2%。2.4 半導體材料:半導體制造核心上游支柱2.4.1 材料種類豐富多樣,工藝制造不可或缺作為芯片制造上游重要支柱,半導體材料決定了芯片性能優(yōu)劣,目前全球半導體材料依然由 日本、美國、韓國、德國等廠商主導,整體國產化率不足 15%,未來國產替代空間大。我們 認為,伴隨著國產晶圓廠擴產,將加速國產半導體材料向本土晶圓廠/IDM 廠導入,半導體材 料廠商有望深度受益。 半導體材料分為晶圓制造材料和封裝材料。在半導體制作過程中,晶圓制造材料主要用于前 道工藝,包括氧化、光刻、刻蝕、離子注入、退火、薄膜沉積、清洗、CMP 拋光等,封裝材 料主要用于后道工藝,包括晶圓切割、貼片、引線鍵合、模塑等。晶圓制造材料包括硅片、電子氣體、掩膜版、光刻膠及配套材料、濕電子化學品、CMP 拋光 材料以及靶材等,根據 SEMI 數據,硅片、電子氣體、掩膜版占比最高,分別為 35%、13%、 12%;封裝材料則包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等, 根據 SEMI 數據,封裝基板、引線框架、鍵合絲占比最高,分別為 48%、15%、15%。
各類半導體材料的作用不盡相同,硅片是晶圓制造基底材料,電子氣體用于氧化、還原、除雜 工藝,掩膜版是微電子制造過程中的圖形轉移工具或母版,光刻膠則是將掩膜版上的圖形轉 移到硅片上的關鍵材料,封裝基板用于保護、支撐、散熱,連接芯片與 PCB,引線框架可以 保護、支撐,連接芯片與 PCB,鍵合絲是芯片和引線框架、基板間連接線。2.4.2 中高端依然由國外廠商主導,中國廠商積極研發(fā)布局半導體重點材料領域,中國大陸目前已經基本實現了布局或量產,整體自主化率 10-15%,其 中晶圓制造材料自主化率<15%,封裝材料自主化率<30%。具體產品來看,自主化率較高的 產品中,電子氣體 30%、光刻膠配套材料<25%、(通用)濕電子化學品 23%、引線框架 40%, 自主化率較低的產品中,掩膜版 1%,KrF/ArF/EUV 光刻膠 1%/1%/0%,硅片(含 SO I 硅片) 5-10%,封裝基板 5%,國產替代需求迫切。 從工藝制程技術水平看,中國大陸廠商整體仍然以中低端產品為主,高端材料依然被海外廠 商主導,并且在產能及市場規(guī)模方面與海外廠商也有較大差距。比如晶圓制造材料方面,12英寸 SOI 片還未實現量產,ArF/EUV 光刻膠仍然高度依賴進口,獨立第三方掩膜版主要集中 在 100nm 節(jié)點以上的晶圓制造用掩膜版以及 IC 封裝/IC 器件掩膜版;封裝材料方面,ABF 載 板還未能量產,芯片粘接材料 DAF 和 CADF 基本依賴進口。
3. 汽車電動化:電動化推動 IGBT 和 SiC 充分受益
3.1 全球電動車滲透率持續(xù)提升汽車工業(yè)發(fā)展到今日,電動化和智能化已經成為大趨勢,全球主要國家/地區(qū)也陸續(xù)公布了 CO2 排放量及規(guī)劃,整體計劃是逐步降低。根據 ICCT 數據,美國計劃 2020-2026 年從 125g/km 降至 108g/km,2050 年碳中和;日本計劃 2020-2026 年從 122g/km 降至 73.5g/km,2050 年碳中和;中國計劃 2020-2026 年從 117g/km 降至 93.4g/km,2060 年碳中和;歐盟計劃 2021-2026 年從 95g/km 降至 81g/km,2030 年降至 59g/km,2050 年碳中和。 在資源與環(huán)境雙重壓力下,在政策和技術進步的驅動下,新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā) 展的方向,傳統(tǒng)動力系統(tǒng)將會逐漸被驅動電機、動力電池與控制器所取代。汽車電動化已是 大勢所趨。根據 ICCT 數據,ICE 排放量 120 g/km;48V 輕混(MHEV)為 102g/km;全混 (FHEV)為 84g/km;插混(PHEV)為 28g/km;純電動(BEV)與燃料電池(FCEV)均 能實現 CO2零排放。伴隨著全球 CO2 排放量逐步減少,電動車普及計劃也相繼出爐,根據 PwC 數據,全球主要 國家/地區(qū)中,大部分將在 2030-2040 年間,通過僅可銷售零排放車輛或者禁止銷售燃油車等 方式,來實現 CO2減排。汽車電動化已成為全球汽車產業(yè)大趨勢,根據 IHS Markit 數據,全球主要國家/地區(qū)電動車 (PHEV+BEV)滲透率持續(xù)穩(wěn)步提升,截止 2022Q2,全球滲透率為 12.4%,美國滲透率為 6.8%,歐盟滲透率為 15.8%,中國滲透率為 26.5%,中國已大幅超越美國和歐洲電動車滲透 率水平,汽車產業(yè)電動化升級領先全球。3.2 IGBT 最為受益受益于汽車行業(yè)發(fā)展全球汽車半導體市場規(guī)模整體保持增長。根據 Gartner 和 Statista 數據, 2021 年為 460 億美元,隨著近年來電動車出貨量及滲透率快速提升,預計到 2022 年和 2023 年,全球汽車半導體市場規(guī)模將分別達到 505 和 555 億美元。
全球汽車半導體廠商主要分布在歐洲、美國和日本。根據 Strategy Analytics 數據,2021 年 全球汽車半導體市場規(guī)模 467 億美元,同比+31.5%,其中英飛凌、恩智浦、瑞薩、德州儀器、 意法半導體排名前 5,市占率分別為 12.7%、11.8%、8.4%、8.1%、7.5%。 汽車傳感器方面,博世、英飛凌、安森美、亞德諾、邁來芯排名前 5,市占率分別為 21.4%、 14.1%、10.6%、9.0%、8.6%。微控制器(MCU)方面,瑞薩、恩智浦、英飛凌、德州儀器、 微芯分列前 5 名,市占率分別為 28.8%、24.9%、21.9%、7.5%、7.4%。功率半導體方面, 英飛凌、意法半導體、德州儀器、安森美、羅姆排名前 5,市占率分別為 31.7%、16.2%、 10.8%、8.0%、6.0%。根據 Infineon 和 Strategy Analytics 數據,傳統(tǒng)燃油車半導體價值量為 417 美元/輛,其中 MCU 價值量為 96 美元/輛,功率半導體價值量為 88 美元/輛,傳感器價值量為 54 美元/輛。48V 輕 混半導體價值量為 572 美元。純電動車半導體價值量為 834 美元/輛,其中 MCU 價值量為 92 美元/輛,功率半導體價值量為 459 美元/輛,傳感器價值量為 58 美元/輛。因此,在從燃油車 向純電動車升級過程中,半導體價值量提升幅度明顯,整車半導體價值量增長 100%,功率半 導體價值量提升幅度最大,增幅高達 421.6%。 功率半導體在電動車中主要用于逆變器、車載充電機(OBC)、DC/DC 轉換器、電池管理系 統(tǒng)(BMS)等,根據 Infineon 數據,逆變器用量最大,占比 70%;車載充電機(OBC)、DC/DC 轉換器、電池管理系統(tǒng)(BMS)等合計占比 30%。

在電動車中,逆變器通過將直流電轉變?yōu)榻涣麟?,從而驅動交流電機工作,進而驅動汽車行 駛,因此,逆變器直接關系到驅動電機能否可靠和高效的運行。IGBT 作為逆變器的核心器件, 將深度受益汽車電動化發(fā)展浪潮。 根據 Yole 數據,全球 IGBT 市場規(guī)模,2020 年為 54 億美元,2026 年將增長到 84 億美元, CAGR 為 7.5%。各下游應用中,全球市場前三大下游應用中,工控占比 31.5%,家電占比 24%,新能源車占比 9.4%;中國市場前三大下游應用中,新能源車占比 31%,家電占比 27%, 工控占比 20%。3.3 動力電池向 800V 升級,SiC 有望大放異彩如今電動車續(xù)航里程已經能和燃油車媲美,甚至有的已經超過燃油車里程,但是充電一直是 瓶頸,往往充電時間要遠高于燃油車加油時間,所以提高充電時間就成為了必須要解決的問 題,也是影響電動車滲透率進一步提升的關鍵。目前的解決方法是采用大功率快充來縮短充 電時間,而對于電動車來說,就需要更高電壓來匹配大功率快充,因此,電動車電壓平臺將從 400V 向 800V 及以上升級。 根據英飛凌數據,對于直流充電樁,20kW 充電樁充滿電需要 120min,150kW 需要 16min, 而 350kW 僅需要 7min,因此 800V 高壓平臺+超級充電樁已成為趨勢,而在 800V 及以上高 壓情況下,Si 基材料由于其材料的局限性,SiC 等第三代半導體將有望大放異彩。SiC 在電動車中主要用在逆變器中,此外還有車載充電機(OBC)、DC/DC 轉換器等,絕大部 分將用于逆變器,SiC 在上述零組件中的應用將越來越多。目前包括特斯拉 Model 3、比亞迪 漢以及蔚來 ET7 等車型都已經采用了 SiC 器件,未來有望會有更多車型采用 SiC 器件,帶動 SiC 器件市場規(guī)模持續(xù)提升。 根據 Yole 數據,2021-2027 年,全球 SiC 功率器件市場規(guī)模將由 10.9 億美元增長到 62.97 億美元,CAGR 為 34%;其中電動車用 SiC 市場規(guī)模將由 6.85 億美元增長到 49.86 億美元, CAGR 為 39.2%,電動車(逆變器+OBC+DC/DC 轉換器)是 SiC 最大的下游應用,占比由 62.8%增長到 79.2%,市場份額持續(xù)提升。根據 Wolfspeed 數據,全球 SiC 襯底廠商中,Wolfspeed 占比 62%,排名第 1;II-VI 占比 14%,排名第 2;ROHM(SiCrystal)占比 13%,排名第 3;中國廠商天科合達占比 4% ,排 名第 5。CR3 占比達到 89%,市場集中度高。 根據 Yole 數據,2021 年全球 SiC 器件廠商中,意法半導體占比 40%,排名第 1;英飛凌占 比 22%,排名第 2;Wolfspeed 占比 14%,排名第 3;羅姆、安森美和三菱分列 4-6 名,占 比分別為 10%、7%和 2%。
4. 汽車智能化:傳感器是智能化快速發(fā)展的關鍵一環(huán)
4.1 L0 向 L5 逐步升級,高等級自動駕駛滲透率將持續(xù)提升伴隨著汽車工業(yè)電動化發(fā)展,汽車智能化重要性也日益凸顯。汽車電動化改變了汽車動力模 式,而智能化則將汽車從傳統(tǒng)的交通工具升級成為了智能終端,相比于智能手機等其他類型 的智能終端,汽車由于體積大,單個產品對智能化零部件的需求量更大,種類也更多,此外, 由于關系到駕駛員及乘客的人身安全,對零部件的可靠性要求也更高。 在汽車智能化趨勢下,汽車自動駕駛功能也將逐步提升,在自動駕駛等級劃分上,SAE(國際 汽車工程師學會)將自動駕駛技術分為 L0-L5,共 6 個等級,NHTSA(美國國家公路交通安 全管理局)將自動駕駛分為 L0-L4 共 5 個等級。目前部分車企已經推出了具有 L2 功能的車 型,L1 和 L2 仍然需要駕駛員駕駛,屬于 ADAS(高級輔助駕駛系統(tǒng))范疇。而 L3 將是一個 分水嶺,從 L3 開始,汽車才真正進入到自動駕駛范疇,L3 指在特定場景下,系統(tǒng)可以實現 對車輛的完全接管,當系統(tǒng)失效時,駕駛員取得駕駛權。
未來自動駕駛滲透率有望持續(xù)提升,并且高級別自動駕駛占比將逐步增大。根據 Strategy Analytics 數據,全球自動駕駛汽車滲透率方面,預計到 2025 年,L2 滲透率將達到 27%,L3 滲透率將達到 1%;2035 年,L2 滲透率將達到 59%,L3 滲透率將達到 10%,L4 滲透率將達 到 9%,L5 滲透率將達到 1%。4.2 多傳感器融合取長補短,數量及質量將持續(xù)增加為了實現自動駕駛功能,其中感知層的作用非常重要,用于收集周圍環(huán)境,如車輛、行人、交 通標識等信息,以便決策層做出最準確、最合理的判斷,實現安全駕駛。感知層主要包括 攝像 頭、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達等幾類常用自動駕駛傳感器,根據工作原理不同,性 能方面各有優(yōu)劣。 攝像頭技術成熟、造價低,也是唯一能識別顏色和標識的傳感器,但是受光照、天氣影響大, 機器學習數據庫訓練樣本大、周期長;超聲波雷達受天氣干擾小,但是測量精度差,距離短; 毫米波雷達不受天氣影響,穿透煙霧、雨雪、灰塵能力強,探測距離遠,但無法識別物體顏 色,視場角較小,對金屬表面非常敏感,在隧道里效果不佳;激光雷達能夠很好的探測障礙物 的距離、大小、表面形狀,算法簡單,但是在雨雪云霧天氣下衰減嚴重,技術門檻和成本較 高。從頻譜角度講,主動傳感器從超聲波雷達到毫米波雷達,再到激光雷達,工作頻率越來越 高,波長越來越短;被動傳感器攝像頭則工作在可見光(VIS,visible)及紅外線(IR,infrared) 范圍,紅外又分為近紅外(NIR,near-infrared)和中紅外(MIR,mid-infrared),中紅外就是 熟知的熱成像(thermal camera)。從覆蓋范圍和功能上,各類傳感器各有專長。長距毫米波雷達位于車頭,探測距離最遠,主要 用于自適應巡航控制;激光雷達一般位于車頂前方,探測距離次之,主要用于車輛緊急制動、 行人檢測和碰撞避免;攝像頭位于車身四周,探測距離更短一些,但是能覆蓋周圍 360°范圍, 前視攝像頭主要用于交通標志識別和車道偏離報警,側視攝像頭主要用于車身兩側環(huán)視,后 視攝像頭主要用于停車輔助和車身后方環(huán)視;中短距毫米波雷達位于車頭和車尾,探測距離 比攝像頭稍短,前置主要用于倒車橫向車流預警,側后方主要用于盲點檢測,后置主要用于 后方碰撞預警;覆蓋范圍最小的是超聲波雷達,位于車頭和車尾,主要用于停車輔助;全球衛(wèi) 星導航系統(tǒng)位于車頂,主要用于車輛定位和導航。隨著自動駕駛級別逐步提升,功能逐漸豐富,傳感器用量及價值量也水漲船高。根據 Deloitte 數據: L1 級別具備主動巡航控制(ACC)、車道偏離警告系統(tǒng)(LDWAS)功能; L2 級別增加了停車輔助(PA)、車道維持輔助(LKA)功能,需要 6 顆傳感器,包括 4 顆超 聲波雷達、1 顆毫米波雷達(長距)、1 顆攝像頭; L3 級別增加了自動緊急制動(AEB)、駕駛員監(jiān)控(DM)、交通堵塞輔助(TJA)功能,需要 13 顆傳感器,包括 4 顆超聲波雷達、5 顆毫米波雷達(1 顆長距+4 顆短距)、4 顆攝像頭; L4 級別增加了傳感器融合(Sensor Fusion)、高速自動駕駛(AP Highway)功能,需要 29 顆傳感器,包括 10 顆超聲波雷達、8 顆毫米波雷達(2 顆長距+6 顆短距)、8 顆攝像頭、1 顆 激光雷達等; L5 級別增加了隨時隨地自動駕駛(AP Anywhere)功能,需要 32 顆傳感器,包括 10 顆超聲 波雷達、8 顆毫米波雷達(2 顆長距+6 顆短距)、11 顆攝像頭、1 顆激光雷達等。因此,隨著汽車智能化程度及普及率提升,傳感器作為感知層的核心零部件,起到探測收集 周圍一手環(huán)境信息的重要作用,未來將扮演更加重要的角色。傳感器的重要性不僅僅體現在 數量上,而且體現在信息融合上,多種傳感器可以分別探測收集多種周圍環(huán)境、路況信息,從 而幫助決策層做出更加準確與合理的判斷,而且在質量上,對單個傳感器的性能要求也將不 斷提升,以求做出更為快速、準確的信息采集和反饋,因此,我們認為傳感器將深度受益汽車 智能化發(fā)展浪潮,在汽車智能化過程中大放異彩。(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)精選報告來源:【未來智庫】。「鏈接」


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