半导体材料专题报告:市场空间巨大,国产替代大有所为

 行业动态     |      2020-01-25 15:24

半导体产业链可以大致分为设备、材料、设计等上游环节、中游晶圆制造,以及下 游封装测试等三个主要环节。半导体材料是产业链上游环节中非常重要的一环, 在芯片的生产制造中起到关键性的作用。根据半导体芯片制造过程,一般可以 把半导体材料分为基体、制造、封装等三大材料,其中基体材料主要是用来制 造硅晶圆半导体或者化合物半导体,制造材料则主要是将硅晶圆或者化合物半 导体加工成芯片的过程中所需的各类材料,封装材料则是将制得的芯片封装切 割过程中所用到的材料。

根据芯片材质不同,分为硅晶圆片和化合物半导体,其中硅晶圆片的使用范围 最广,是集成电路 IC 制造过程中最为重要的原材料。硅晶圆片全部采用单晶硅 片,对硅料的纯度要求较高,一般要求硅片纯度在 99.9999999%(9N)以上, 远高于光伏级硅片纯度。先从硅料制备单晶硅柱,切割后得到单晶硅片,一般 可以按照尺寸不同分为 6-18 英寸,目前主流的尺寸是 8 英寸(200mm)和 12 英寸(300mm), 18 英寸(450mm)预计至少要到 2020 年之后才会逐渐增加 市场占比。全球龙头企业主要是信越化工、SUMCO、环球晶圆、Silitronic、LG 等企业。

化合物半导体主要指砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等第二、 第三代半导体,相比第一代单质半导体(如硅(Si)、 锗(Ge)等所形成的半导 体),在高频性能、高温性能方面优异很多。三大化合物半导体材料中,GaAs 占大头,主要用在通讯领域,全球市场容量接近百亿美元;GaN 的大功率和高 频性能更出色,主要应用于军事领域,目前市场容量不到 10 亿美元,随着成本 下降有望迎来广泛应用;SiC 主要作为高功率半导体材料,通常应用于汽车以 及工业电力电子,在大功率转换领域应用较为广泛。

半导体中的抛光材料一般是指 CMP 化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)过程中用到的材料,CMP 抛光是实现晶圆全局均匀平坦化的关键工 艺。CMP 抛光的原理是是在一定压力下及抛光浆料存在下,被抛光工件相对于 抛光垫做相对运动,借助于纳米粒子的研磨作用与氧 化剂的腐蚀作用之间的有 机结合,在被研磨的工件表面形成光洁表面。

抛光材料一般可以分为抛光垫、抛光液、调节器和清洁剂,其中前二者最为关 键。抛光垫的材料一般是聚氨酯或者是聚酯中加入饱和的聚氨酯,抛光液一般 是由超细固体粒子研磨剂(如纳米级二氧化硅、氧化铝粒子等)、表面活性剂、 稳定剂、氧化剂等组成。

根据SEMI和IC Mtia数据,2016年全球抛光材料的市场规模大约16.1亿美元, 其中国内市场规模约 23 亿元。全球抛光垫市场几乎被陶氏垄断,抛光液市场则 主要由日本的 Fujimi 和 Hinomoto Kenmazai,美国的卡博特、杜邦、Rodel、 EKA,韩国的 ACE 等企业占领绝大多数市场份额。

掩膜版通常也被称为光罩、光掩膜、光刻掩膜版,是半导体芯片光刻过程中的 设计图形的载体,通过光刻和刻蚀,实现图形到硅晶圆片上的转移。掩膜版通 常根据需求不同,选择不同的玻璃基板,一般是选择低热膨胀系数、低钠含量、 高化学稳定性及高光穿透性等性能的石英玻璃为主流,在上面镀厚约 100nm 的 不透光铬膜和厚约 20nm 的氧化铬来减少光反射。

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2018 年全球半导体掩膜版的市场规模大约 33.2 亿 美元,其中国内市场规模约 59.5 亿元。全球生产掩膜版的企业主要是日本的 TOPAN、大日本印刷、HOYA、SK 电子,美国的 Photronic 等。

湿电子化学品,也通常被称为超净高纯试剂,是指用在半导体制造过程中的各 种高纯化学试剂。按照用途可以被分为通用化学品和功能性化学品,其中通用化学品一般是指高纯度的纯化学溶剂,例如高纯的去离子水、氢氟酸、硫酸、 磷酸、硝酸等较为常见的试剂。在制造晶圆的过程中,主要使用高纯化学溶剂 去清洗颗粒、有机残留物、金属离子、自然氧化层等污染物。功能性化学品是 指通过复配手段达到特殊功能、满足制造过程中特殊工艺需求的配方类化学品, 例如显影液、剥离液、清洗液、刻蚀液等,经常使用在刻蚀、溅射等工艺环节。

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球湿电子化学品的市场规模大约 11.1 亿 美元,其中国内市场规模约 14 亿元。全球市场主要由欧美和日本企业主导,其 中德国的巴斯夫和HenKel、美国的Ashland、APM、霍尼韦尔、ATMI、Airproducts、 日本的住友化学、宇部兴产、和光纯药、长濑产业、三菱化学等公司。

相关上市公司主要有:多氟多、晶瑞股份、巨化股份、嘉化能源、滨化股份、 三美股份、江化微、澄星股份、光华科技、兴发集团

电子特气是指在半导体芯片制备过程中需要使用到的各种特种气体,按照气体 的化学成分可以分为通用气体和特种气体。另外按照用途也可以分为掺杂气体、 外延用气体、离子注入气、发光二极管用气、刻蚀用气、化学气相沉积气和平 衡气。与高纯试剂类似,电子特气对气体纯度的要求也极高,基本上都要求 ppt 级别以下的杂质含量。这是因为 IC 电路的尺寸已经达到纳米级别,气体中任何 微量残存的杂质都有可能造成半导体短路或者线路损坏。

根据SEMI和IC Mtia数据,2016年全球电子特气的市场规模大约36.8亿美元, 其中国内市场规模约 46 亿元。全球电子特气的龙头企业主要是美国的空气化工 和普莱克斯、法国液空、林德集团、日本大阳日酸。

相关上市公司主要有:雅克科技、华特气体、南大光电、中环装备、昊华科技、 三孚股份、巨化股份

光刻胶是图形转移介质,其利用光照反应后溶解度不同将掩膜版图形转移至衬 底上。目前广泛用于光电信息产业的微细图形线路加工制作,是电子制造领域 关键材料。光刻胶一般由感光剂(光引发剂)、感光树脂、溶剂与助剂构成,其 中光引发剂是核心成分,对光刻胶的感光度、分辨率起到决定性作用。光刻胶 根据化学反应原理不同,可以分为正型光刻胶与负型光刻胶。

以半导体光刻胶为例,在光刻工艺中,光刻胶被均匀涂布在衬底上,经过曝光(改 变光刻胶溶解度)、显影(利用显影液溶解改性后光刻胶的可溶部分)与刻蚀等工 艺,将掩膜版上的图形转移到衬底上,形成与掩膜版完全对应的几何图形。光 刻工艺约占整个芯片制造成本的 35%,耗时占整个芯片工艺的 40-60%,是半 导体制造中最核心的工艺。

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球光刻胶的市场规模大约 14.4 亿美元, 其中国内市场规模约 20 亿元。全球光刻胶市场主要被欧美日韩台等国家和地区的企业所垄断。

相关上市公司主要有:上海新阳、强力新材、苏州瑞红、南大光电、飞凯材料、 容大感光、永太科技

溅射靶材的使用原理是利用离子源产生的离子,在高真空中经过加速聚集,而 形成高速度能的离子束流,轰击固体表面,离子和固体表面原子发生动能交换, 使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面,被轰击的固体是用溅射法沉积 薄膜的原材料,因此称为溅射靶材。

半导体芯片的单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成, 其中,介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺。集成电路领域的镀 膜用靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等,要求靶材纯度很高, 一般在 5N(99.999%)以上。

全球溅射靶材的龙头企业主要是美国的霍尼韦尔和普莱克斯,日本的日矿金属、 住友化学、爱发科、三井矿业和东曹。

半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片 的过程。封装过程为:来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的 晶片(Die),然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板(引线框架)架的 小岛上,再利用超细的金属(金锡铜铝)导线或者导电性树脂将晶片的接合焊 盘(Bond Pad)连接到基板的相应引脚(Lead),并构成所要求的电路;然后 再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护,塑封之后还要进行一系列操作,封 装完成后进行成品测试,通常经过入检 Incoming、测试 Test 和包装 Packing 等工序,最后入库出货。整个封装流程需要用到的材料主要有芯片粘结材料、 陶瓷封装材料、键合丝、引线框架、封装基板、切割材料等。

芯片粘结材料是采用粘结技术实现管芯与底座或封装基板连接的材料,在物理 化学性能上要满足机械强度高、化学性能稳定、导电导热、低固化温度和可操 作性强的要求。在实际应用中主要的粘结技术包括银浆粘接技术、低熔点玻璃 粘接技术、导电胶粘接技术、环氧树脂粘接技术、共晶焊技术。环氧树脂是应 用比较广泛的粘结材料,但芯片和封装基本材料表面呈现不同的亲水和疏水性, 需对其表面进行等离子处理来改善环氧树脂在其表面的流动性,提高粘结效果。

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球芯片粘结材料的市场规模大约 7.5 亿 美元,其中国内市场规模约 20 亿元。

陶瓷封装材料是电子封装材料的一种,用于承载电子元器件的机械支撑、环境 密封和散热等功能。相比于金属封装材料和塑料封装材料,陶瓷封装材料具有 耐湿性好,良好的线膨胀率和热导率,在电热机械等方面性能极其稳定,但是 加工成本高,具有较高的脆性。目前用于实际生产和开发利用的陶瓷基片材料 主要包括 Al2O3、BeO 和 AIN 等,导热性来讲 BeO 和 AIN 基片可以满足自然 冷却要求,Al2O3 是使用最广泛的陶瓷材料,BeO 具有一定的毒副作用,性能 优良的 AIN 将逐渐取代其他两种陶瓷封装材料。

根据 SEMI 数据显示,2016 年全球陶瓷封装材料的市场规模大约 21.7 亿美元, 占到全部封装材料市场规模的 11%左右,其中国内市场规模约 35 亿元。全球 龙头企业主要是日本企业,如日本京瓷、住友化学、NTK 公司等。

封装基板是封装材料中成本占比最大的一部分,主要起到承载保护芯片与连接 上层芯片和下层电路板的作用。完整的芯片是由裸芯片(晶圆片)与封装体(封 装基板与固封材料、引线等)组合而成。封装基板能够保护、固定、支撑芯片, 增强芯片的导热散热性能,另外还能够连通芯片与印刷电路板,实现电气和物 理连接、功率分配、信号分配,以及沟通芯片内部与外部电路等功能。

早期芯片封装通常使用引线框架作为导通芯片与支撑芯片的载体,但是随着 IC 特征尺寸不断缩小,集成度不断提高,只有封装基板能够实现将互联区域由线 扩展到面,可以缩小封装体积,因此有逐步提到传统引线框架成为主流高端封 装材料的趋势。

封装基板通常可以分为有机、无机和复合等三类基板,在不同封装领域各有优 缺点。有机基板介电常数较低且易加工,适合导热性能要求不高的高频信号传 输;无极基板由无机陶瓷支撑,耐热性能好、布线容易且尺寸稳定性,但是成 本和材料毒性有一定限制;复合基板则是根据不同需求特性来复合不同有机、 无机材料。未来预计有机和复合基板将是主流基板材料。

根据 SEMI 和 IC Mtia 数据,2016 年全球有机基板以及陶瓷封装体合计市场规 模达 104.5 亿美元,占到全部封装材料的 53.3%,国内市场规模约 80 亿元,占 全部封装材料的 30%。全球封装基板龙头企业主要是日本的 Ibiden、神钢和京 瓷、韩国的三星机电、新泰电子和大德电子、台湾地区的 UMTC、南亚电路、 景硕科技等公司。

半导体用键合丝是用来焊接连接芯片与支架,承担着芯片与外界之间关键的电 连接功能。键合丝的材料已经从过去的单一材料,逐步发展为金、银、铜、铝 用相关复合材料组成的多品种产品。根据应用领域以及需求的不同,可以选择 各种不同的金属复合丝。

根据 SEMI 数据显示,2016 年全球半导体键合丝的市场规模大约 31.9 亿美元, 其中国内市场规模约 45 亿元。全球半导体用键合丝的龙头企业主要是主要是日 本的贺利氏、田中贵金属和新日铁等。

引线框架作为半导体的芯片载体,是一种借助于键合丝实现芯片内部电路引出 端与外部电路(PCB)的电气连接,形成电气回路的关键结构件。引线框架起 到了和外部导线连接的桥梁作用,绝大部分的半导体中都需要使用引线框架, 是电子信息产业中重要的基础材料。引线框架的通常类型有 TO、DIP、SIP、 SOP、SSOP、QFP、QFN、SOD、SOT 等,主要用模具冲压法和蚀刻法进行 生产。

半导体晶圆切割是半导体芯片制造过程中重要的工序,在晶圆制造中属于后道 工序,将做好芯片的整片晶圆按照芯片大小切割成单一的芯片井粒,称为芯片 切割和划分。在封装流程中,切割是晶圆测试的前序工作,常见的芯片封装流 程是现将整片晶圆切割为小晶粒在进行封装测试,而晶圆级封装技术是对整片 晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片。

目前主流的切割方法分为两类,一类是用划片系统进行切割,另一种利用激光 进行切割。其中划片系统切割主要包括砂浆切割和金刚石材料切割,该技术起 步较早市场份额较大,金刚石锯片或者金刚石线是此类常见的划片系统切割工 具,但机械力切口较大,易导致晶圆破碎。激光切割属于新兴无接触切割,切 割表面光滑平整,适用于不同类型晶圆切割。

全球半导体材料市场空间巨大,仍有持续增长动力。2018 年全球半导体材料销 售额已经达到 519 亿美元,同比增长 11%,其中晶圆制造材料(包括硅晶圆和 化合物半导体等基体材料)全球销售 322 亿美元(同比增长+16%),封装材料 全球销售 197 亿美元(同比增长 3%)。由于半导体芯片尺寸日趋缩小,封装材 料的市场增速明显小于晶圆制造材料。

从销售区域分布情况来看,东亚地区占据绝大部分市场份额。根据 SEMI 数据, 2018 年中国台湾凭借其庞大的代工厂和先进的封装基地,以 114.5 亿美元连续 第九年成为半导体材料的最大消费地区,郑州家政市场占比 22%;中国大陆半导体材料 市场销售额 84.4 亿美元,市场占比 16%;韩国和日本的市场销售额分别为 87.2 和 76.9 亿美元,市场占比分别为 17%和 15%。东亚地区的半导体材料销售额 占到全球市场约 70%,成为当之无愧的半导体产业全球制造基地。

全球晶圆产能仍在扩张,半导体材料需求增长动力仍然强劲。根据 IC Insights, 在经过 2017 年增长 7%之后,2018 年和 2019 年全球晶圆产能都将继续增长 8%,分别增加 1730 万片和 1810 万片。在这两年中,众多的 DRAM 和 3D NAND Flash 生产线导入是晶圆产能增加的主导因素。预计 2017-2022 年全球 IC 产能 年增长率平均为 6.0%,而 2012-2017 年平均为 4.8%。半导体材料的市场需求 基本上与晶圆产能情况保持密切联系,全球晶圆产能增长为上游半导体材料行 业带来了强劲的需求。

2018 年全球半导体材料销售规模在 519 亿美元,其中基体材料、制造材料、封 装材料占比分别为 23.4%、38.7%和 28.0%。根据细分统计数据,制造材料中 电子特气、掩膜版、光刻胶的市场占比最大,合计占到制造材料的 61%。按照 未来硅片尺寸越来越大(18 英寸将成为主流)的趋势,我们预计基体材料的占 比将变小,制造材料的占比将有望扩大。

海外企业占据半导体产业链的绝对份额。欧美、日韩台等国家和地区是全球半导 体巨头的主要所在地,根据 WSTA 数据,2018 年全球半导体市场规模约为 4373 亿美元,中国半导体市场规模约为 1220 亿美元(占全球约 28%),中国已经成 为全球最大的半导体消费市场。中国在半导体消费市场上已经成为了世界第一, 但是半导体产业中的市场占比却非常有限,全球前十大半导体企业中没有一家 是郑州月嫂来自中国。

半导体材料行业同样也是由外企主导。我们在第一部分盘点各种材料的市场规 模以及全球龙头时,基本可以看到各类细分材料的绝大部分市场份额都被海外 企业所占据,国内企业目前还处于努力尝试国产化替代的过程当中。

在上一篇半导体行业专题报告中,我们认为半导体产业链国产化虽然是一个十 分艰巨的任务,但是可以通过采取合适的策略,利用国内庞大的工程师红利,辅 之合理的政策导向,国内半导体产业实现自主可控之路一定能够实现。例如,在上 游设备、材料、设计等领域,在不同的细分赛道通过重点突破,则有望成功。在中 游晶圆制造及下游封装测试领域,需要保持战略定力,对新技术保持持续的研发投 入,对行业内领先企业保持持续跟进保证不掉队,长此以往则有望达到国际一流水 平。

半导体制造产业向大陆地区转移的趋势不可逆转。根据 CEMIA 数据,2018 年国 内半导体材料市场规模已经达到 794 亿元。未来随着中国半导体产能规模的继续 扩张,以及全球半导体晶圆制造产业向大陆转移的趋势不可逆转,我们认为国内半 导体市场规模在全球占比还将继续保持提升的趋势。未来国内半导体材料的市场规 模毫无疑问也将继续扩大,按照目前的行业增速,我们预计 2021 年国内半导体市 场规模将首次超过 1000 亿元。

只要国内市场需求足够大,材料端实现进口替代将水到渠成。国内优势明显的 基建配套、庞大的工程技术人员数量基础、容量巨大的国内需求市场,已经培 育了不少优秀的世界级制造业公司。国内化工行业同样受益于此,过去多年的 迅速发展,可以说国内化工在上游基础化工原材料端已经独步全球,除了一些 对资源禀赋要求较高的细分产业链之外,国内大部分大宗化工品基本上都已经 基本解决或者正在解决国产化的问题。虽然目前国内每年仍需进口占比不小的 化工品,但基本上都是以一些较郑州家政为高端的精细化工品或者化工新材料为主,半 导体材料就属于主要依赖于进口的化工品。

以锂电池材料为例,10 多年前国内锂电池产业刚开始发展时,国内精细化工材 料的生产能力较为薄弱,且当时锂电池主要是以 3C 消费类电子产品使用为主, 市场需求空间也相对较小。因此当时国内锂电池材料基本都是以进口为主,国 产化率提升的较为缓慢,国产锂电池材料很难进入到主流的锂电池生产厂(如 东芝、三星、LG 等)的供应链当中。但是自从 2011 年国务院将新能源汽车列 为战略新兴产业之一,且持续加大政策支持力度,国内动力锂电池产业链迅速 发展,锂电池的市场规模也随之打开。在国内巨大的市场需求刺激之下,大量 企业投入巨额资金到锂电池材料的研发和产能扩张,国内锂电池材料迅速完成 国产替代的进程。在 2017 年,锂电池四大材料就基本完成国产替代,甚至有 部分材料能够实现出口,参与全球市场的竞争。国内锂电池产业链以极其优秀 的制造能力,以及完备的产业配套,甚至吸引全球锂电池汽车龙头公司特斯拉 到国内建厂生产整车。锂电池材料产业链的成功先例,无疑对国内发展半导体 材料产业链有着良好的借鉴作用。

目前我国半导体材料的国产化率约为 20%,如果 5 年后国内半导体材料能基本 实现国产化,再考虑到国内半导体材料整体市场规模在 5 年后至少增长 50%, 那么 5 年左右的时间里国内半导体企业的整体销售额将扩大到目前的 7-8 倍。 目前国内半导体材料的市场份额较为分散,未来市场份额必然会集中到少数几 个龙头公司。我们认为国内半导体材料行业必然会出现几个在 5 年内连续保持 高速成长的企业,紧紧跟随国内半导体产业链国产化的趋势,营业规模扩张的 空间在 10 倍以上。