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一文看懂全球半导体硅片产业,国产任重而道远
2017-1-10 6:12:00           作者: 半导体行业观察

  版权声明:本文来自海通证券陈平团队,如您觉得不合适,请与我们联系,谢谢。

  自2016年下半年以来, 全球半导体硅片出现供不应求的局面,前几大硅片供应商的产能利用率均达到100%, 甚至部分供应商开始调用紧急备用硅片, 部分小型的晶圆制造厂由于无法拿到足够的硅片而被迫减产, 导致下半年以来的部分IC芯片供应不足。日前全球三大硅片厂信越(Shin-Etsu)、 Sumco、德国Siltronic均宣布将调涨2017年第1季度12寸硅片价格约10~20%, 一改自2011年以来的硅片价格下滑的趋势。

  硅片是最重要的半导体材料, 目前90%以上的芯片和传感器是基于半导体单晶硅片制造而成, 硅片的供应与价格的变动情况将对整个IC芯片产业造成非常大的影响,我们详细分析了全球半导体硅片的供给与需求以及价格的变动情况,发现供不应求的局面大概率将在未来几年继续上演,硅片产能的扩张速度将低于IC晶圆制造的需求增速,硅片的价格也将一改过去几年的下滑趋势,这为半导体硅片产业的投资带来新的机遇。

  全球半导体硅片产业发展概况

  2015年全球半导体市场规模为3352亿美元, 其中IC集成电路市场规模为2753亿美元, 占比约为8成。 IC产业中IC制造材料的市场规模为241亿美元,其中半导体硅片占比约33%,为80亿美元左右, 半导体硅片是占比最大的IC制造材料。

  全球半导体硅片市场规模在2009年受经济危机影响而急剧下滑, 2010年反弹之后,2011年到2013年,由于300毫米大硅片的普及,造成硅片单位面积的制造成本下降,同时加上企业扩能竞争激烈, 2013年全球硅片的市场规模75亿美金,连续两年下滑。2014年以来受汽车电子及智能终端的需求带动, 全球半导体硅片出货量开始复苏。根据Gartner的预测,到2020年全球硅片市场规模将达到110亿美元左右。

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  2008-2020 年全球半导体硅片市场规模(亿美元)

  在具体的硅片方面, 目前主流的硅片为 300mm(12 英寸)、 200mm(8 英寸) 和150mm(6 英寸), 其中, 300mm 硅片自 2009 年开始市场份额超过 50%,到 2015 年的份额已经达到 78%, 预计 2020 年将占硅片市场需求大于 84%的份额。

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  单晶硅片主要规格类型

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  2005-2020 年全球硅片市场现状及预测(百万平方英寸)

  在硅晶片选择方面,其中12 寸硅晶片出货量之所以在近些年来快速增长,主要原因在于 CPU/GPU 等逻辑芯片、 Memory 存储芯片市场快速增长,大部分都是采用 12 寸晶圆制造。 不过,除了CPU/GPU 和 Memory 等先进的芯片以外,更多的芯片使用的都是 8 寸(200mm)晶圆,如汽车半导体、 指纹识别芯片和摄像头 CIS 芯片, 2016 年指纹识别芯片和 CIS 芯片受益于智能手机市场出货量大幅度增加, 汽车半导体受益于汽车电子普及而快速增长, 正是导致 2016 年 8 寸晶圆缺货的主要原因所在。

  同时, 450mm 硅片预计将于 2017 年左右开始小规模量产,第一批客户只有英特尔一家。 之后几年 450mm 的硅片也将遵循规律,迎来一段时间的强劲增长, 预计硅片需求依旧会保持持续增长态势。 根据 IC Insights 的报告, 300mm 晶圆代工厂将会在 2021年左右达到高峰,之后市场将迎来 450mm 晶圆的补充, 300mm 将逐渐减少。

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  全球 300mm 和 450mm 晶圆代工厂数量预测

  在硅片的下游应用方面, 根据 IHS 在 2016 年 12 月发布的报告, 2015 年全球半导体硅片需求量为 633 亿平方厘米,预计 2016 年增速为 3.8%。 其中 2015 年,智能手机和电脑的消耗量合计占比为 41.23%, 预计 2016 年将出现下滑, 采用 NAND FLASH 工艺的 SSD 将实现 33%的增长,其他行业应用(工业、汽车、家庭、网关等)均将有 5-10%的增长。

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  全球硅片需求情况-按下游应用市场划分

  全球半导体硅片产业竞争格局——巨头垄断

  从全球来看,硅材料具有高垄断性,全球一半以上的半导体硅材料产能集中在日本,尤其是随着尺寸越大、 纯度越高, 垄断情况就越严重。 2015 年全球半导体硅片销售额前两名的 Shin-Etsu(信越) 和 Sumco 都是日本公司,第三名到第十名分别是:德国的Siltronic、美国的 SunEdison、韩国的 LG Siltron、台湾的 Global Wafer、法国的 Soitec、台湾的 Wafer Works、芬兰的 Okmetic、台湾的 Episil。

  2015 年全球前十大半导体硅片企业(亿美元)

  其中 Shin-Etsu 在 2015 年的销售额超过 21 亿美元, Sumco 将近 20 亿美元,两家日本公司合计占比超过 50%。 德国的 Siltronic 在 2015 年的销售额将近 10.5 亿美元,SunEdison Semiconductor、 LG Siltron、 Global Wafer 三家的销售额则在 7~8 亿美元之间,剩余几家销售额则在 3 亿美元以下, 从这组数据中可以看出硅材料行业的垄断性之高, 前六大硅片厂的销售份额达到 92%。

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  2015 年前六大半导体硅片厂份额达 92%

  根据 Gartner 的数据, 在 12 英寸(300mm)大硅片方面, 垄断形势更加明显, 2015年前六大半导体硅片厂的销售份额达到 97.8%。

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  2015 年 300mm 大硅片市场份额

  硅片行业的垄断度极高,近年来大公司不断通过相互间的整合实现市场占有率的进一步提升。 例如,信越在 1999 年并购了日立的硅片公司, SUMCO 由 Sumitomo、三菱材料和 Komatsu 三家公司在 2002 年和 2006 年合并而成。 2016 年 9 月台湾的 GlobalWafer 以 6.83 亿美元的总价并购了 SunEdison Semiconductor,从而使得排名第六的Global Wafer 一举突破 Siltronic 成为全球第三大半导体硅材料供应商。 5 月份的时候,Global Wafer 还以 3.2 亿人民币收购了丹麦的硅片厂 Topsil。

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  前三大半导体硅片供应商均由大型并购整合而来

  作为集成电路制造业最大宗的关键材料, 中国大陆的 300 毫米硅片一直依赖进口,主要原因在于目前国内还没有掌握大规模量产 IC 集成电路用的高纯大硅片技术。 制造高纯大硅片的技术障碍主要是硅的纯度和大尺寸硅片的良率问题。 对于先进工艺的半导体单晶硅片,纯度需要达到 11 个 9 以上(即 99.999999999%),目前国内还无法实现,同时大尺寸硅片对倒角、 精密磨削等加工工艺要求高,国内还没有掌握高良率的技术能力。

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  日本信越硅片纯度可到 11 个 9 以上

  谁是硅晶圆消耗大户?

  电子级半导体硅片主要的用途是, 通过供给晶圆代工厂, 采用各类制程工艺加工为裸芯片,然后经过封装和测试变成模块化的可用芯片, 应用到不同的电子终端中, 所以晶圆代工厂是电子级半导体硅片的主要客户。

  根据权威第三方机构 IC Insights 的统计数据,全球晶圆代工产业规模, 2004 年为164.15 亿美元, 2008 和 2009 年受到金融危机的影响,行业规模负增长, 2015 年市场规模增长到 488.91 亿美元, 2004-2015 年的复合年均增速为 10.4%。

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  2004-2015 年全球晶圆代工市场规模及增速

  近十年来,全球 IC 晶圆代工业务主要由五大厂商掌控,分别是台积电、 台联电、格罗方德 (由 AMD 芯片代工部门和特许半导体合并而成)、三星和中国大陆的中芯国际,五家企业的份额总和为 80%左右。

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  2004-2015 年全球晶圆代工企业市场份额情况

  其中,台积电牢牢占据第一的位臵, 份额长年保持在 50%左右, 2015 年的市场份额为 54.3%, 是全球晶圆代工当之无愧的龙头。 台积电 2015 年收入 264.39 亿美元,同比增长 5.5%,主要受益于 20nm 制程与 16nm FinFET 制程的推出,满足了先进应用处理器与基频数据机晶片方面的需求。

  而在具体的晶圆产能方面, 根据 IC Insights 发布的《 2016-2020 年全球晶圆产能报告》, 2015 年全球电子级晶圆产能为 1635 万片/月(以 200mm 硅片计算), 同比增长6%, 如果用 300mm 硅片换算的话(300mm 硅片面积为 200mm 硅片的 2.25 倍)为726.7 万片/月,这个数据包含 IC 集成电路、 普通半导体器件。 其中,台湾、韩国和日本分列前三位,中国大陆的份额为 9.7%。

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  2015 年 12 月全球电子级半导体晶圆产能情况(以 200mm 硅片计算)

  在 2011 年超过日本后,台湾又于 2015 年超过韩国,成为产能最大的地区。 自 2015年 12 月起,台湾地区的晶圆产能占全球比重将近 22%。 2010 年,中国大陆首次在晶圆产能上赶超欧洲。

  在直径为 6 寸甚至更小的晶片上,日本曾是领头羊, 目前主要生产低复杂性制程及商用型产品或特殊组件。

  在 8 寸晶圆方面,领先的是台湾和日本。过去的几年中,虽然已经有很多 8 寸的晶圆厂关闭,但台湾却并未发生,这些也助使台湾自 2012 年起,成为 8 寸晶圆产能第一的地区。由于台湾已经变成了集成电路代工产能最大的地区,预计在未来几年内,该地区在 8 寸产能上仍会继续扩大。

  至于 12 寸晶圆,韩国走在了前面,台湾紧随其后。台湾在 2013 年失去了其作为12 寸晶圆的领头人,其中很大一部分的原因是因茂德关闭了 12 寸晶圆厂,当然也有部分原因是由于三星电子和 SK 海力士因存储器和快闪存储器业务需求而持续扩产。

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  2015 年 12 月全球主要 IC 制造厂商晶圆产能情况(千片/月)

  截止 2015 年 12 月, IC 产能全球前十大厂商的已安装产能总计为每月 1173.7 万片,晶圆(以 200mm 硅片面积折合计算),占全球总 IC 产能的 72%,较 2014 年 12 月的每月 1088.5 万片同比增加 7.8%。

  以各厂商表现来看,截至 2015 年 12 月,三星是安装晶圆产能最高的半导体业者,每月产能为 250 万片 8 寸晶圆,占全球总产能的 15.5%, 其中生产最多的是 DRAM 与FLASH 闪存;

  排名第二大的是台湾晶圆代工龙头台积电,每月产能为 190 万片晶圆,占全球总产能 11.6%; 内存大厂美光的 IC 产能近年持续成长,主要是因为收购了来自尔必达、瑞晶以及华亚科技的产能;

  第四大厂商为日本东芝,产能为每月 130 万片晶圆,其产能还包括了来自合资伙伴 SanDisk 的闪存产能;

  第五大厂商也是内存业者──韩国的 SK 海力士, 该公司产能水平也在每月 130 万片晶圆以上;

  英特尔的晶圆产能在 2015年略为下滑,因为该公司位于中国大连的 Fab 68 在由逻辑芯片生产转换为新一代闪存(3D NAND 与 XPoint 内存)生产时曾短暂停工。

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  2016 年 12 月全球晶圆代工企业产能情况预测

  在具体公司不同尺寸的硅片产能方面,根据 IC Insights 在 16 年 12 月的报告, 12寸晶圆产能排行中,三星以 22%夺全球第一,其次为美光的 14%, SK 海力士与台积电同为 13%位居第三。第五至第十则分别为东芝/WD(11%)、英特尔(7%)、 格罗方德(6%)、联电(3%)、力晶科技(2%)及中芯国际(2%)。 其中三星、美光、 SK 海力士、东芝/WD 以供应 DRAM 与 NAND flash 存储器为主, 台积电、 格罗方德、联电、力晶科技

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