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      行業動態

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      國產半導體材料“量價齊升”

      2022-03-29 來源:原創 瀏覽量:4112
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      在半導體產品強勁的需求推動下,對半導體材料的需求也大幅增加,全球半導體材料市場規模持續擴大。


      近日,國際半導體產業協會(SEMI)發布數據顯示,2021年全球半導體材料市場規模達到了643億美元,較2020年的555億美元增加88億美元,同比增長15.9%,再創新高。


      其中,中國大陸2021年半導體材料的市場約為119.3億美元,同比增21.9%。

      全球半導體材料市場規模(單位:百萬美元)

      半導體行業觀察制圖,資料來源:SEMI


      憑借強勁的代工能力和先進封裝基礎,中國臺灣連續第 12 年以 147 億美元成為全球最大的半導體材料消費地區。中國大陸在 2021 年實現了最強勁的絕對同比增長,位居第二,而韓國是半導體材料的第三大消費國。


      全球半導體材料市場規模的大幅增長,得益于芯片需求的增加和行業擴充產能的推動。據 IC Insights數據,2021年全球晶圓代工廠銷售收入為1101億美元,同比增長26%;預計2022年晶圓代工廠銷售額有望達1321億美元,同比增長20%。晶圓的高景氣促使了晶圓廠產能不斷擴張。


      而晶圓制造需要用到的硅片、氣體、光刻膠等多種半導體材料,隨之成為行業重點需求,打開高成長空間。同時,在碳中和戰略以及向數字化轉型的加速趨勢下,對電子產品的需求也大幅增加。SEMI總裁Ajit Manocha指出,所有半導體材料領域,在去年都出現了兩位數或高個位數的增長。


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      半導體材料:貫穿制造和封測

      半導體材料是產業鏈上游環節中非常重要的一環,在芯片的生產制造中起到關鍵性的作用。按照應用環節可以分為晶圓制造材料和封測材料,分別用于晶圓制造和芯片封裝測試環節。


      在晶圓制造工藝中,主要用料為硅片、靶材、拋光材料、光刻膠、高純化學試劑、電子特氣和化合物半導體,其中,硅片、電子特氣、光掩膜版、拋光材料等用量較大;在封裝測試中,主要材料為封裝基板、引線框架、陶瓷封裝體和鍵合金屬線,其中,封裝基板、鍵合絲等是較為主要的材料。

      半導體材料分類(數據來源:SEMI)


      半導體材料貫穿了半導體生產的全流程,每一個步驟都需要用到相應的材料,如光刻過程需要用到光刻膠、掩膜版,硅片清洗過程需要用的各種濕化學品,化學機械平坦化過程需要用的拋光液和拋光墊等。

      主要細分半導體材料用途及應用環節

      (圖源:方正證券)


      據SEMI數據顯示,2021年,硅片、濕化學品、CMP和光掩模領域在晶圓制造材料市場中表現出強勁的增長,晶圓制造材料市場規模達404億美元,同比增長15.5%;而封裝材料市場規模為239億美元,同比增長16.5%,主要受有機基板、引線和鍵合線的推動。

      制造材料市場格局

      半導體制造材料細分市場分散,規模偏小,唯獨硅片占近35%市場份額,位居材料之首,其次為電子氣體占比13%,光掩模占比12%,其余光刻膠配套化學品、拋光材料、光刻膠、濕法化學品、濺射靶材等材料占比均小于10%,規模偏小。


      硅片


      在硅片市場中,日本信越化學占比28%,SUMCO占比22%,中國臺灣的環球晶圓占比15%,德國Siltronic占比11%,韓國SK Siltron占比11%。前五大廠商共占據87%的市場份額,細分市場集中度較高。


      國內硅片生產企業代表有滬硅產業、中環股份、神工股份、立微昂等。其中滬硅產業的子公司上海新昇半導體科技有限公司已經實現300mm的半導體硅片生產,累計實現銷售超過170萬片,其二期項目30萬片/月產能將于2021年底達成,以緩解對進口硅片的依賴。


      電子氣體


      電子氣體是大規模集成電路、平面顯示器件、化合物半導體器件、太陽能電池以及光纖等電子工業生產中不可或缺的基礎和支撐性材料之一。


      根據中國工業氣體工業協會統計,集成電路生產用的特種氣體,中國僅能生產約20%的品類,其余均依賴進口。作為第二大半導體原材料,全球電子氣體市場被美國空氣化工、德國林德集團、法國液化空氣和日本太陽日酸占據了90%以上的市場份額。


      目前國內的主要企業有雅克科技、金宏氣體、南大光電、華特氣體等,能批量生產的特種氣體仍主要集中在集成電路的清洗、蝕刻、光刻等工藝環節,對摻雜、沉積等工藝的氣體僅有少部分品種取得突破??梢?,基于安全的自主可控仍是電子氣體長期國產替代的主旋律。


      光刻膠


      光刻是半導體晶圓制造中的最重要的工藝環節,決定著芯片的最小特征尺寸,占芯片制造時間的40-50%,占制造成本的30%。光刻膠作為光刻環節的核心耗材,決定工藝圖形的精密程度和良率,重要程度不言而喻。半導體光刻膠根據曝光波長不同,分為g線光刻膠、i線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠以及EUV光刻膠等。


      從技術角度來看,半導體光刻膠壁壘較高,然而高壁壘鑄就壟斷格局,半導體光刻膠是國產率最低的材料之一,市場主要被日美廠商所占據。全球光刻膠市場主要被東京應化、杜邦、JSR、住友化學等制造商所壟斷,尤其是在半導體光刻膠的高端的KrF和ArF領域,市場集中度更高。


      中國半導體光刻膠領域仍處于起步階段,與國外公司技術差距巨大。除少數公司覆蓋g/i光刻膠外,KrF光刻膠國產化率僅為1%左右,ArF光刻膠除少數國內公司可以少量銷售外,基本仍處于研發階段。


      當前,光刻膠正在加速國產替代。一方面,供需緊張和供應鏈安全問題日益嚴重,光刻膠的國產替代窗口進一步打開。光刻膠屬于高度定制化產品,并需要和光刻機聯動發展。隨著國內晶圓廠新產能的迅速釋放,國內廠商為滿足產品配套化發展,會優先選擇具有本土化優勢的國內廠商。以華懋科技、彤程新材、晶瑞電材等為代表的國內公司將單體、樹脂等上游材料和光刻膠一體化發展,實現供應鏈的全方位安全,成為國內晶圓廠商長期發展的首選供應商。


      CMP


      CMP(化學機械拋光)是通過拋光材料化學腐蝕及機械腐蝕協同實現晶圓全局平坦化的過程,其核心耗材聚焦拋光液和拋光墊。


      隨著芯片制程復雜度的提升對 CMP 材料的需求提升以及晶圓產能的擴產,國內外市場規模穩步提升,且國內市場增速高于全球市場。以拋光液為例,根據Techcet和QY Research預測,預計2024年全球拋光液市場規模將達到24.8億美元,19-24 年CAGR為8.45%;而國內拋光液市場規模2025年將超過10億美元,19-25年CAGR高達31.66%。。


      從市場份額來看,由于CMP材料較高的工藝壁壘及認證難度,行業格局較為集中,主要被美國及日本廠商壟斷。拋光液市場,Cabot、Hitachi、Fujimi、Versum 等頭部廠商累計占比約為65%。值得一提的是,中國企業安集科技追趕勢頭迅猛,在銅及銅阻擋層拋光液突破14nm工藝,并持續拓展鎢拋光液和介電材料拋光液在3D NAND先進制程的應用,產品技術已經接近國際最高水平,2020年其全球市場份額已經增加到4.5%。


      在拋光墊領域,美國陶氏化學公司一家獨大,占全球拋光墊市場近80%的市場份額,更在細分集成電路芯片和藍寶石兩個高端領域占據 90%的市場份額,呈現單寡頭格局。3M、卡博特、日本東麗、中國臺灣三方化學等也可生產部分芯片用拋光墊。


      大陸廠商中,鼎龍股份已通過28nm產品全制程(ILD/SIT/W/Cu/GKMG)的驗證并獲得訂單,針對14nm以下先進制程開發的新產品在客戶端驗證進展順利。國內廠商初步打破拋光墊技術壟斷,產能仍在釋放當中。


      靶材


      靶材是濺射工藝核心原材料,功能薄膜制備必經之路。靶材行業準入門檻較高,從新產品開發到實現批量供貨,時間長達 2-3 年。高昂的認證成本形成 穩定供應關系,對新進入廠商提出嚴格要求。


      高門檻鑄就高集中度,全球呈現美日寡頭壟斷特征,先發優勢明顯。由于靶材制造工序繁多,技術門檻較高,設備投資大,能實現規?;a企業較少。美日龍頭廠商掌握核心生產技術,實施嚴格技術保密舉措,目前霍尼韋爾(美國)、日礦金屬(日本)、東曹(日本)和普萊克斯全球前四大廠商市占率近80%,其中日礦金屬規模最大,壟斷全球30%的芯片靶材市場。從靶材種類細分來看,銅靶主要供應商為日礦金屬;鉬靶主要供應商為攀時與世泰科;鋁靶主要供應商為住友化學與愛發科;ITO靶材的主要供應商為三井、日礦金屬與優美科。


      國內廠商奮起直追,技術節點不斷突破,涌現出了一批優秀的靶材企業,有江豐電子、光微半導體、阿石創、隆華科技等。其中,江豐電子作為國內最大半導體芯片用高純濺射靶材生產商,超高純金屬濺射靶材產品已經應用于全球先端制造工藝中,7nm技術節點實現批量供應,5nm技術節點部分產品評價通過并實現量產,部分產品進入驗證階段;光微半導體生產的超純濺射靶材產品已經進入臺積電3nm供應量并完成工藝終端測試,即將進入量產階段,主打產品超高純銅錳濺射靶材達到45-3nm工藝節點使用要求,為中國臺灣地區光洋穩定供應超高純6N/7N銅原料,后為其代工3nm芯片制造工藝所需銅錳靶材。


      方正證券分析師李萌根據中國半導體制造材料細分產品競爭力和目前國產化進度,把中國半導體制造材料分為了三大梯隊:第一梯隊:靶材、電子氣體、濕電子化學品。部分產品技術標準達到全球一流水平,本土產線已實現中大批量供貨;第二梯隊:CMP材料、掩膜版、硅片。個別產品技術標準達到全球一流水平,本土產線已小批量供貨;第三梯隊:光刻膠,技術與全球一流水平仍存在較大差距。

      封裝材料:先進封裝打開市場

      據2020年統計數據,半導體封裝材料主要為封裝基板,占比為33%,其次分別為引線框架17%、鍵合線16%、封裝樹脂15%、陶瓷材料12%、芯片粘接4%。


      封裝基板作為特種印制電路板,是將較高精密度的芯片或者器件與較低精密度的印制電路板連接在一起的基本部件。隨著新型高密度封裝形式的出現,電子封裝的許多功能正逐漸部分或全部的由封裝基板來承擔。


      封裝基板始于日本,隨后延伸至韓國和中國臺灣,三個地區市占率合計超過90%。近年來,日本封裝基板公司已逐漸退出和縮小規模,主攻高端產品,以Ibiden(揖斐電)、Shinko(新光電氣)、Kyocera(京瓷)等為代表的日本公司技術實力較強,占據著在封裝基板中利潤最大的CPU封裝所需基板的主要市場,在所有其他封裝基板類別中,中國臺灣和韓國的供應商占據市場主導地位。


      整體來看,封裝材料市場較為分散,大陸廠商在鍵合絲、環氧塑封料、引線框架市場中具備一定影響力,國產率水平較高,但是在封裝基板、芯片粘接材料方面與國際領先企業差距依舊較大。



      近年來在電子基板中,高密度多層基板占比越來越大,在先進封裝中的運用越來越廣泛。根據Yole數據顯示,全球封裝收入年復合增長率為4%,其中先進封裝市場的年復合增長率達7%,預計到2025年先進封裝收入將達到422億美元,封裝市場占比接近50%。

      全球先進封裝市場趨勢


      基于封測市場的整體發展趨勢,先進封裝材料未來成長空間將超過傳統封裝材料,適用于3D封裝、倒裝以及扇出型封裝的材料將快速增長。


      綜合來看,我國半導體材料業經過過去的發展,各細分領域都有所突破,但產品整體上仍集中在中低端領域,市占率較低。


      晶圓制造材料方面,日本在大尺寸硅片與光刻膠領域幾乎處于壟斷地位,電子氣體也被歐美日等大企業聯合壟斷。芯片封裝材料方面,基板和引線框架主要由日韓、中國臺灣的企業占據主導,鍵合線雖然大部分在國內生產,但是外資品牌廠商仍然占據大部分的市場份額。


      根據公開數據,目前很多關鍵的半導體材料國產化率還不到10%,在一些技術壁壘非常高的領域甚至不足5%。反過來看,這也意味著半導體材料的國產化空間非常大。

      國產材料迎來突圍機遇

      受貿易戰影響,芯片的國產化替代已經成為必然趨勢。作為產業上游的半導體材料,也屬于“卡脖子”的關鍵技術,需要盡快實現國產替代。


      國內半導體材料迎政策紅利


      而中國半導體材料的快速發展離不開相關產業政策的支持。


      國家半導體產業大基金一期就已經投資了國內硅片龍頭滬硅產業,二期更是把半導體材料作為重點投資領域,繼續加大了對滬硅產業的投資,此外還新增了電子氣體供應商派瑞特種氣體、光刻膠供應商寧波南大廣電、電子級磷酸供應商興福電子以及封裝基板供應商深南電路的投資。大基金二期覆蓋硅片、電子氣體、光刻膠、高純試劑以及基板等關鍵環節,表明國家在不斷提高對半導體材料領域的重視程度。


      大基金之外,近年來國家還推出了一系列政策來促進半導體材料行業的發展。

      我國半導體材料相關政策

      資料來源:方正證券研究所


      千載難逢的國產材料替代時機


      另一方面,全球半導體材料短缺也給國內企業帶來了千載難逢的替代時機。


      芯片短缺蔓延至上游材料端,國內芯片制造與封裝企業從國外供應商處拿到的產能會受到影響,且交付周期會變長,國內廠商在此境遇下更有意愿導入國內供應商的產品。


      這給國內半導體材料企業帶來了機會,如果能夠抓住機遇,迅速填補這個空缺,成為國內芯片制造與封裝企業的穩定供應商,就可以實現這一部分的國產替代。例如滬硅產業抓住全球硅片供應短缺的時機,成功打入了中芯國際、武漢新芯等國內主要芯片制造廠商;深南電路也抓住了全球基板供應短缺的機遇,成功進入到全球三大封測廠日月光、安靠科技以及長電科技的供應體系。


      此外,面對全球產能短缺現狀以及此輪半導體晶圓制造產能大幅擴張,行業龍頭企業信越、SUMCO、陶氏等海外大廠資本開支計劃相對保守。在制造產能大幅擴張而材料廠商保守情況下,疊加疫情、國際關系摩擦等因素,半導體材料供需緊張情況將持續。


      本土大廠中芯國際、長江存儲、長鑫存儲等已突破早期的風險試產與良率爬坡階段,產能已具規模,后期擴產過程中戰略目標從“爬良率出產品”向“供應鏈安全”傾斜,Fab 廠國產化意愿有望加強,本土半導體材料將迎來加速導入放量階段。而半導體材料這種高壁壘的領域,一旦進入就不容易被替代,因此,預計國內企業在全球市場的滲透率會不可逆地逐步提升。

      根據機構測算,未來以光刻膠、CMP為代表的半導體材料中國大陸需求均有翻倍以上空間。


      整體而言,目前全球半導體產業鏈持續向中國大陸遷移,上游電子化學材料市場的高速增長賦予中國新材料企業分一杯羹的機遇,發展路徑沿低端替代份額提高+高端產品逐步突破的方式展開。

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      上世紀70年代,日本憑借家電產業的優勢帶動了半導體技術和產業的整體升級,一批行業公司隨之崛起,半導體產業第一次由美國轉向了日本。其半導體材料和設備也隨之發展為一支強勢力量。


      半導體是高度國際化的產業,任何國家和地區都不可能實現100%純本土化制造。目前,全球制造格局為中美日韓幾分天下,所以半導體材料也需要在上述地區布局,盡可能貼近晶圓廠,發揮配套作用。


      當前,我國半導體材料產業或許能借鑒日本的發展經驗,把握半導體產業轉移的機遇,積極研發,全球布局。半導體材料的國產化縱然還面臨很多高端半導體材料需要從零開始、相關人才緊缺以及美日歐等國在很多關鍵材料的核心技術上對國內實施技術封鎖等困難和挑戰。


      但在中美科技摩擦背景下,國內政策傾斜、供需緊張形勢下Fab廠國產化意愿加強、資本市場活躍等給了國內材料市場新的契機和窗口,促使半導體材料國產化進一步走向深度化和全面化。


      全球市場和國際形勢動蕩的背景下,國內企業市場份額加速提升,半導體材料有望迎來量價齊升的春天。

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