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半导体行业离不开这些材料,国产替代正当时
2022-12-12 来源:网络整理
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关键词: 半导体 芯片 智能手机

半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。无论从科技或经济发展的角 度来看,半导体都至关重要。2010 年以来,全球半导体行业从 PC 时代进入智能手机时 代,成为全球创新最为活跃的领域,广泛应用于计算机、消费类电子、网络通信和汽车 电子等核心领域。半导体产业主要由集成电路、光电子、分立器件和传感器组成,据 WSTS 世界半导体贸易统计组织预测,到 2022 年全球集成电路占比 84.22%,光电子器 件、分立器件、传感器占比分别为 7.41%、5.10%和 3.26%。


半导体工艺复杂,技术壁垒极高。芯片生产大体可分为硅片制造、芯片制造和封装测试 三个流程。其中硅片制造包括提纯、拉单晶、磨外圆、切片、倒角、磨削、CMP、外延 生长等工艺,芯片制造包括清洗、沉积、氧化、光刻、刻蚀、掺杂、CMP、金属化等工 艺,封装测试包括减薄、切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋成型、终测等工艺。 整体而言,硅片制造和芯片制造两个环节技术壁垒极高。




材料之于半导体的重要性

半导体原材料是集成电路产业的基石,处于整个行业的上游环节,对半导体产业发展起着重要支撑作用。半导体材料主要应用于晶圆制造与芯片封装环节,具有产业规模大、细分领域多、技术门槛高、更新速度快等特点。

产业规模大:根据SEMI的统计,2021年全球晶圆制造材料的市场规模为404亿美元,占半导体材料整体市场的63%;封装材料的市场为239亿美元,占整体的37%。

细分领域多:从晶圆裸片到芯片成品,中间需要经过氧化、溅镀、光刻、刻蚀、离子注入、以及封装等上百道特殊的工艺步骤,集成电路生产的各个环节均要用到半导体原材料。其中晶圆制造环节所用到的材料包括硅片、光刻胶、光刻胶配套试剂、湿电子化学品、电子气体、CMP抛光材料、以及靶材等,从市场份额来看,在所有这些晶圆制造材料中,硅片市占最大,约33%,其次是电子气体和光刻机及配套试剂;芯片封装材料包括封装基板、引线框架、树脂、键合丝、锡球、以及电镀液等,同时类似湿电子化学品中又包含了酸、碱等各类试剂,细分子行业多达上百个,从市场份额来看,半导体封装材料中,封装基板占比最大(约40%),其次是引线框架和键合线。

技术门槛高:半导体材料的技术门槛一般要高于其他电子及制造领域相关材料,其具备纯度要求高、工艺复杂等特征,在研发过程中需要下游对应产线进行批量测试。同时由于芯片制造过程的不同、下游厂商对材料使用需求的不同等因素,导致对应材料的参数也有所差异。

更新速度快:归根结底,半导体材料也是伴随着工艺节点的进步而发展起来的一大领域,随着工艺越来越先进,对半导体材料的等级要求也越来越高,包括洁净度、纯度等。如果半导体材料等级达不到要求,则会影响最终芯片的性能、稳定性和良率。

数据的爆炸式增长、5G、人工智能、物联网和扩展现实都需要体积更小、功效更高的芯片。为了应对半导体行业的复杂性和对改进性能的持续需求,在半导体的众多产业链中,材料变得比以往任何时候都更重要。材料的质量和水平直接决定了芯片的性能好坏。

国际半导体产业协会(SEMI)的数据显示,2021年全球半导体材料市场的规模,达到了643亿美元,较2020年的555亿美元增加88亿美元,同比增长15.9%,再创新高。

国际半导体产业协会的数据还显示,在去年的半导体材料市场,晶圆制造材料市场的规模为404亿美元,同比增长15.5%;封装材料市场的规模为239亿美元,同比增长16.5%。

去年全球半导体材料市场的规模大幅扩大,主要是得益于芯片需求的增加和厂商扩大规模。国际半导体产业协会的总裁兼CEO Ajit Manocha就表示,在芯片需求强劲和行业扩大产能的推动下,2021年全球半导体材料市场罕见的大幅增长。

Ajit Manocha还透露,向数字化转型加快,对电子产品的需求也大幅增加,所有半导体材料领域,在去年都出现了两位数或高个位数的增长。



中国为全球最大半导体市场,国产化提升大势所趋

复盘半导体行业发展历史,共经历三次转移。第一次转移:1973 年爆发石油危机,欧美 经济停滞,日本趁机大力发展半导体行业,实施超大规模集成电路计划。1986 年,日本 半导体产品已经超越美国,成为全球第一大半导体生产大国;第二次转移:20 世纪 90 年度,日本经济泡沫破灭,韩国通过技术引进实现 DRAM 量产。与此同时,半导体厂 商从 IDM 模式向设计+制造+封装模式转变,催生代工厂商大量兴起,以台积电为首的 中国台湾厂商抓住了半导体行业垂直分工转型机遇;第三次转移:2010 年后,伴随国内手机厂商崛起、贸易摩擦背景下国家将集成电路的发展上升至国家战略,半导体产业链 逐渐向国内转移。

中国为全球最大半导体市场,占比约 1/3。随着中国经济的快速发展,在手机、PC、可 穿戴设备等消费电子,以及新能源、物联网、大数据等新兴领域的快速推动下,中国半 导体市场快速增长。据 WSTS 数据显示,2021 年全球半导体销售达到 5559 亿美元,而 中国仍然为全球最大的半导体市场,2021 年销售额为 1925 亿美元,占比 34.6%。

国产化率极低,提升自主能力日益紧迫。近年来,随着产业分工更加精细化,半导体产 业以市场为导向的发展态势愈发明显。从生产环节来看,制造基地逐步靠近需求市场, 以减少运输成本;从产品研发来看,厂商可以及时响应用户需求,加快技术研发和产品 迭代。我国作为全球最大的半导体消费市场,半导体封测经过多年发展在国际市场已经 具备较强市场竞争力,而在集成电路设计和制造环节与全球领先厂商仍有较大差距,特 别是半导体设备和材料。SIA 数据显示,2020 年国内厂商在封测、设计、晶圆制造、材 料、设备的全球市占率分别为 38%、16%、16%、13%、2%,半导体材料与设备的国产 替代重要性日益凸显。


竞争格局高度集中,国内厂商加速追赶

CMP 抛光液市场,美国 Carbot 是国际龙头,安集科技为国内龙头。目前全球抛光液市 场主要由美日厂商垄断,美国 Cabot、美国 Versum、日本日立、日本 Fujimi 和美国陶氏杜邦五家美日厂商占据全球抛光液近八成的市场份额,安集科技仅占约 3%。国内市场 中,美国 Cabot 占约 64%,安集科技市占率为 22%。

安集科技为国产 CMP 抛光液龙头,国内市场占有率超两成。公司 2015-2016 年先后承 担两个“02 专项”项目,专注于持续优化 14nm 技术节点以上产品的稳定性,测试优化 14nm 及以下产品的技术节点,开发用于 128 层以上 3D NAND 和 19/17nm 以下技术节点 DRAM 用铜及铜阻挡层抛光液。目前公司 CMP 抛光液 13-14nm 技术节点上实现规模化 量产,下游客户包括中芯国际、长江存储、台积电、华虹半导体等主流晶圆厂商。

全球抛光垫市场“一家独大”,国产替代稳步前进。当前全球抛光垫市场主要由美国的 陶氏杜邦垄断,市占率高达 79%,其他公司如美国 Cabot、日本 Fujimi、日本 Hitachi 等 市占率在 5%以内。内资企业中,鼎龙股份、江丰电子和万华化学具备相应的生产力。 其中,鼎龙股份为国内抛光垫龙头企业,生产的抛光垫意在对标美国陶氏杜邦集团。随 着国内晶圆厂扩张,需求提升,为确保供应链的稳定,内资企业迎来发展潮。



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