行业观察认识半导体产业链7上下游
新微超凡行业观察
本期继续推出系列内容，介绍半导体产业链中的技术、代表性企业、发展趋势和热点，并继续探索半导体产业中的知识产权和科创板问题。上期内容见：认识半导体产业链（6）——IC测试二三事
基本介绍
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。
如果按产品来划分，那么半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，集成电路是电子设备的核心组成部分，也是现代信息产业的基础，又分为逻辑器件、存储器件、微处理器和模拟电路四类，下游应用最为广泛，因此大部分的电子产品，如计算机、智能手机等或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。
按照主要生产过程划分，半导体产业链可以划分为上游支撑产业、中游制造产业和下游应用产业。上游支撑产业为中游制造产业提供必要的原材料与生产设备，进行加工后的半导体将广泛应用于下游各个领域。
上游
上游包括半导体材料、生产设备、EDA、IP核。EDA，即电子设计自动化，包括电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具等。IP核提供已经完成逻辑设计或物理设计的芯片功能模块，授权允许客户将其集成在其芯片设计中。
半导体材料发展到如今，已经经历了三代更迭，通过前期的内容，我们知道相比于第一、二代半导体，第三代半导体基体材料具有更好的高击穿电压、电导率和热导率，所以在高温、高压、高功率和高频领域正逐步替代前两代半导体材料。晶圆制造材料作为重要的半导体材料之一，主要包括硅片、光刻胶、各种靶材、特种气体、CMP抛光液和抛光垫等；像封装材料类的半导体材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝包封材料等。
目前全球半导体材料生产商主要以美国、日本、韩国和中国台湾厂商为主。以硅晶圆材料为例，全球硅片厂商被日本信越科学、日本三菱住友、台湾环球晶圆、德国Siltronic、韩国LG所占据。近年来，12英寸硅片产线成为中国各大半导体硅片厂商积极建设或规划的重点。目前上海新昇已具备12英寸硅片的生产能力，并通过上海华力和中芯国际()的供应商验证。除此之外，江丰电子和晶瑞股份已分别在溅射靶材和光刻胶领域打破了国外厂商垄断格局，推动了中国半导体靶材和光刻胶材料国产化进程。
半导体设备包括硅片制造设备、晶圆制造设备、封装设备和辅助设备等，其中晶圆制造设备占总投入的70%以上，而光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备是晶圆制造的核心设备。半导体设备市场集中度非常高，全球前五大厂市场占有率超过60%，它们分别是应用材料、泛林科技、阿斯麦(ASML)、东京电子和科天半导体，均来自美国、日本和荷兰。
光刻机可以将设计好的电路图转印到晶圆上，然而高端光刻机领域，阿斯麦公司一枝独秀。美国的GCA公司曾在年推出全球第一款商用步进光刻机，而后随着光刻精度的提升，光刻机对光学器件的性能要求也越来越高，擅长精密光学镜头加工的日本佳能和尼康后来居上。但是在一次关键的技术升级中，日本企业由于坚持了错误的技术路线被采用浸润式光刻技术、坚持“开放式”创新的阿斯麦打败。
刻蚀机是半导体设备中市场空间最大、产品种类最多的工艺设备。应用材料、泛林科技以及东京电子等刻蚀机全球主要设备厂商，都是以生产刻蚀机为基础，再通过不断地研发及外延并购，后来形成完整的工艺设备系列产品。值得一提的是，我国唯一具有国际竞争力的半异体设备制造企业一中微半导体，也是从刻蚀机开始做起。
一颗芯片需要经过一系列复杂的加工工序，而在每一道工序都有可能由于技术不精确或外部环境污染导致产生偏差或者污染，如果不持续性地对晶圆加工制造过程进行检测和修正，那么缺陷累加可能造成正片晶圆的失效。检测设备是半导体制造的质量监督员，是半导体产业链必不可少的一环。其主要功能在于检查和测量，前者的目的是找出关键缺陷，后者则是为了测量出加工线宽、薄膜厚度、刻蚀深度以及侧壁刻蚀角等关键参数。
中游
半导体产业链的中游可以分为设计、制造和封测三个环节。在半导体产业发展早期，这三个环节通常由同一家企业完成称之为“IDM”。20世纪80年代，随着第三方代工的崛起，产业逐渐开始分工。中国半导体材料行业的中游是半导体材料生产商，主要包括前道的硅片、电子气体、光刻胶等晶圆制造半导体材料和后道的封装基板、引线框架、键合金丝等封装半导体材料。
芯片设计的内涵就是将对产品的功能需求具体转化为现实的、具有可操作性的电路设计版图，这显然属于智力密集型行业，需要工程师在该领域有较高的造诣。在具体实施芯片设计时，主要包括功能定义和实现、电路验证和优化、逻辑综合、版图设计、版图物理验证等步骤，最终会形成一份版图文件，随后代工厂将据此进行芯片制造。目前，全球前十大芯片设计企业主要来自美国和我国台湾地区。年以来，我国大陆芯片设计行业快速成长，涌现出了兆易创新、汇顶科技、格科微、澜起科技等优秀公司，在近几年，我国海思也逐渐在巨头的垄断中脱颖而出，但是我国依然存在企业数量多而不强、设计人才不足等问题。
在制造环节，全球八大晶圆代工厂垄断了近90%的市场份额，台积电一家独大，占据全球60%以上的市场份额。全球范围内，只有台积电、三星和英特尔可以量产7-10纳米先进工艺。-年全球计划兴建晶圆厂62座，其中26座将落户我国大陆，占比超过40%。但从存量上看，我国大陆晶圆代工的产能在全球的占比仍然不足20%。中芯国际、华虹和华润微电子是我国大陆晶圆代工厂的典型代表。随着摩尔定律的演进，半导体制造工厂的投资动辄百亿美元以上，先进工艺的研发也愈加困难，越来越多的代工厂无力承担巨额的生产费用而退出市场竞争。
下游
半导体行业的下游为半导体封装厂商及应用终端企业。目前半导体行业分为IDM、Fabless和Foundry三种厂商。IDM厂商需要具备从芯片设计、晶圆制造到封装等一系列制造工艺，具有较高技术和资金壁垒，目前华微电子、士兰微等几家厂商已形成了以IDM模式为主导的完整的半导体产业链。
封装是连接芯片的I/O接口与外部系统，并提供保护和散热功能。当前市场封装技术主要有两个发展方向：一个是微型化，即向更加轻薄、成本更低、散热功能更好、更多的I/O接口方向发展，有的公司甚至开始将一些晶圆加工的技术运用到封装中，模糊了二者之间的界限；另外一个是集成化，即将不同功能的芯片通过硅通孔技术高密度地封装到一起，形成具有一定功能的(子)系统。
测试是保障成品质量稳定、控制系统损失的关键工艺。测试主要是对芯片、电路等半导体产品的功能和性能进行验证的步骤，其目的在于将有结构缺陷以及功能、性能不符合要求的半导体产品筛选出来，以确保交付产品的正常应用。测试形式主要包括晶圆测试和成品测试，工序上与封装结合紧密，通常由封装企业代劳。
半导体产业是一个下游应用需求拉动的市场，在过去的六十年里，半导体产业发展的主要驱动力经历过多次变化，从最早的军事工业应用到20世纪80、90年代的个人计算机，再到近些年的手机等移动通信产品，现在最新的应用方向包括物联网、汽车电子、5G及人工智能等。
我国是全球最大的电子产品生产国，但并不是一个电子制造的强国，其中一个重要原因就是我国半导体产业长期落后于西方国家，高端芯片受制于人。近些年，我国半导体封装测试市场发展较快，下游半导体厂商对中游半导体材料具有重要发展导向作用，在产业链中具有较强的议价能力，相信随着国家政策和资金的到位、产业技术的成熟及市场的快速发展，我国很快将会迎来半导体产业发展的黄金时期。
国家政策扶持
国家持续加大对于半导体产业政策扶持力度。上世纪80年代至今，半导体产业一直是国家政策大力鼓励、引导和扶持的重点产业，国家相关部委出台了一系列支持和引导半导体行业发展的政策法规。
国家鼓励半导体产业主要政策汇总
图片来源：华经产业研究院-华经情报网半导体面临的挑战
1、半导体行业基础仍较为薄弱
近年来，虽然在政策和需求的驱动下，我国半导体行业发展迅速，在技术水平和产业规模上都有所提升，但与美国、欧洲、日本和韩国等发达国家市场相比仍有一定差距。一方面，由于起步较晚、基础相对薄弱，我国半导体产业整体相对落后，产业链有待进一步完善。同时，由于半导体设备总体规模不大，对零部件市场拉动时间较短，故半导体设备零部件配套能力较弱，部分核心原材料仍然依赖进口，其技术指标、交货周期、价格等均不可控，一定程度上限制了半导体设备厂商的发展。另一方面，我国半导体技术基础薄弱，特别在先进技术上与发达国家存在较大差距，国内半导体企业资金实力薄弱，技术投入不足，在与境外企业的竞争中，由于其在经营规模和市场认可度上存在优势，客户在选择供应商时仍会考虑行业巨头所带来的便捷性与可靠性，存在一定程度的惯性和粘性，国产半导体设备厂商在与其竞争过程中面临较大的压力和挑战，市场认可度仍待进一步积累。
2、高端技术和人才的缺乏
半导体设备行业属于技术密集型行业，对于技术人员的知识背景、研发能力和应用经验积累均有较高要求。人才的培养需要一定的时间和相应的环境，同时需要扎实的基础学科知识，故现有半导体设备行业的人才和技术水平难以满足行业内日益增长的人才需求。此外，由于发达国家对半导体设备的核心技术、工艺以及人才流动限制较为严格，也在一定程度上制约了行业的快速发展。
数据来源：华经产业研究院-华经情报网
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上海新微超凡知识产权服务有限公司（以下称“新微超凡”），由上海新微科技集团有限公司和超凡知识产权股份有限公司，于年11月共同投资成立。新微超凡聚焦半导体、物联网、医疗器械三大科创行业，致力于知识产权全流程专业化服务，打造全产业链知识产权运营机构。通过将专利的创造、布局、管理、运营嵌入企业的产业链、价值链和创新链的运作过程中，促进技术成果转移转化、整合企业创新资源、优化配置结构、赋能科创属性、辅助企业科创IPO上市，实现专利市场经济价值最大化，让企业更从容地面对知识产权竞争的各种变化。
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本报告由上海新微超凡知识产权服务有限公司主编，新微集团及超凡知识产权联合发布。《科创板知识产权风险现状白皮书——半导体篇》欢迎大家扫码获取报告！
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