半导体行业深度报告：回溯半导体周期趋势，聚焦产业发展机遇

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一、 半导体产业是现代信息技术基础

(一) 点沙成金的半导体行业

从晶体管到集成电路再到高度集成。晶体管的出现开启了半导体工业的篇章，接着将分立器件集成化、缩小结构尺寸、提升数量、降低功耗，成为技术发展的迫切需求，集成电路应运而生。所谓集成电路，是指在单个半导体晶片上，将晶体管、电阻、电容及连接线等有机结合的电路结构，其本质上是晶体管制造工艺的延续。集成电路、分立器件、被动元件以及各类模组器件通过 PCB 板连接，又构成了智能手机、PC 等各类电子产品的核心部件。集成电路的出现，在一定程度上预示着半导体工业走向规模产业化和技术上的成熟，也预示着半导体技术向微电子技术方向上的演变。随着工艺水平和封装技术的提升，集成电路又逐步由小规模（SSI）、中规模（MSI），逐步发展至大规模（LSI）、特大规模（VLSI）乃至巨大规模（GSI）。当前，半导体产业经过半个多世纪的发展，不仅带来了世界经济与技术的飞速发展，也带来了整个社会的深刻变革，从日常使用的电子产品到航空航天，处处都有半导体的身影。可以毫不夸张的说，半导体技术是现代电子信息技术发展的原动力和重要基础。

半导体产业是一个快速发展的高前景性行业。产业具有三方面特性，其一，半导体产业属于非资源耗尽型的环保类产业，集成电路的制造不需要像钢铁、化工、建筑等行业消耗大类的能源与有限的资源，制造所用的原材料是地壳中蕴含十分丰富的沙子（二氧化硅），可以说是取之不尽用之不竭的。其二，集成电路的设计与制造技术中的高新技术含量和技术附加值非常高，故产出效益极大，被称为“吞银吐金”的工业。其三，半导体工业是充满技术驱动与效益驱动的高活性产业，集成电路作为电子信息技术的基础，能够与与 IT（信息通信）产业、计算机产业构成三位一体的良性循环，驱动产业不断快速发展。

(二) 集成电路是行业主导，存储芯片是景气风向标

半导体按照功能划分为分立器件、集成电路、传感器和光电子器材四大类。根据 WSTS 数据，2018 年集成电路、光电子器件、分立器件和传感器的全球市场规模分别为 3933 亿美元、380 亿美元、241 亿美元和 134亿美元，占 4688 亿美元半导体市场整体规模的比例分别约为 83.9%、8.1%、5.1%和 2.9%。其中集成电路是半导体最主要的门类，分立器件、传感器和光电子器材虽应用广泛，但实际需求与单价均与集成电路差距较大。

通常人们所说的“芯片”是指封装好的集成电路。集成电路（IntegratedCircuit，IC）又可细分为数字电路和模拟电路。模拟电路是处理模拟信号的电路，如声音、温度、湿度、光照、压力、位置、速度等都可归到模拟信号的范畴。模拟芯片把模拟信号先转换为数字信号，输入到大容量、高速、抗干扰能力强、保密性好的现代化数字系统处理后，再重新转换为模拟信号输出。比较经典的模拟电路有射频芯片、指纹识别芯片等；数字电路是处理数字信号的电路，数字芯片包括微器件（MPU、MCU、DSP 等）、存储器（DRAM、NANDFlash、NORFalsh 等）和逻辑 IC（手机基带、以太网芯片等）。据 WSTS 统计，2018 年存储 IC、处理器 IC、逻辑 IC、模拟 IC 的全球市场规模分别为 1651 亿美元、680 亿美元、1097亿美元和 588 亿美元，占集成电路市场整体规模的比例分别约为 35%、14%、23%和 12%。

存储芯片是集成电路产业的温度计和风向标。其占集成电路市场整体规模的比例达 35%。存储 IC 按照信息保存类别，可分为易失性存储器和非易失性存储器。前者主要包括静态随机存储器（DRAM）、动态随机存储器（SRAM），在外部电源切断后，存储器内的数据也随之消失；后者从早期的不可擦除 PROM、到光可擦除 EPROM、电可擦除 EEPROM发展到现在主流的 Flash，在外部电源切断后能够保持所存储的内容。按是否可以直接被 CPU 读取，可分为内存（主存，如 RAM）和外存（如ROM，硬盘等）。

在存储芯片市场中，规模最大的是 DRAM 和 NAND Flash。DRAM 是最常见的系统内存，其性能出色但断电易失，是最常见的系统内存；Flash闪存芯片是一种电子式可清除程序化只读存储器的形式，允许在操作中被多次擦或写的存储器。这种科技主要用于一般性数据存储，以及在电脑与其他数字产品间交换传输数据，如储存卡与 U 盘。Flash 分为 NOR和 NAND 两种，区别在于存储单元连接方式不同，导致两者读取方式不同。NAND Flash 具有低成本、高写入和擦除速度等特点，因此主要用在大容量存储领域，如嵌入式系统（非 PC 系统）的 DOC（芯片磁盘）和常用的闪盘，如手机、平板电脑、U 盘、固态硬盘等。NOR 具备更快的读取速度，但相比 NAND 成本较高，且写入速度慢，因此主要用于功能手机、DVD、TV、USBKey、机顶盒、物联网设备等小容量代码闪存领域，其占据容量为 0~16MBFlash 市场的大部分份额。随着功能机的消亡，NOR Flash 市场曾一度缩减，近年来来随着下游物联网等新兴应用的兴起，市场空间也随着蕴藏增长潜力。

二、 回溯半导体产业周期（略）

从产业发展历程来看，半导体行业变迁即是一部宏观经济要素周期史，又是一部内部技术变革驱动史，二者的双同作用下，推动半导体行业不断快速发展，并呈现由美国向日本、再由日本向韩国、中国台湾、最后朝着中国大陆不断转移的趋势。

综合来看，我们按照发展程度，将半导体行业划分为四大阶段：

诞生阶段（1950-1970）：半导体产业起步于上世纪 50 年代，1947 年贝尔实验室采用锗材料研制出了第一只点接触三极管，奠定了微电子工业的基础，标志着 IC 产业的诞生。60 年代中期，仙童半导体将硅表面的氧化层做成绝缘薄膜，发展出扩散、掩膜、照相和光刻于一体的平面处理技术，并实现了集成电路的规模化生产。这一时期，主要由系统厂商主导，企业内设有半导体产业所有的制造部门，仅用于满足企业自身产品的需求，IBM、TI、Intel、AMD 等知名公司相继诞生。

初级阶段（1970-1990）：半导体产业转变为 IDM（Integrated DeviceManufacture，集成器件制造）垂直模式，即负责从设计、制造到封装测试所有的流程。美国将装配产业转移到日本，家电的兴起，促进半导体行业快速发展，日本孵化了日立、三菱、索尼等厂商。

发展阶段（1990-2010）：随着下游应用拓展到 PC、移动互联网领域，垂直化分工成为 IC 行业主要趋势，无生产线的 IC 设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。代工模式的兴起导致产业分工转移到韩国、中国台湾地区，孕育出三星、海力士、台积电等厂商。

高级阶段（2010-至今）：半导体行业已实现高度专业化，产业分工进一步细化。下游需求成为产业转移的一大动力，由需求带动销售，中国半导体行业开始崛起，下游 5G、IoT 应用趋势将推动半导体行业进一步发展。

三、 中游细分环节梳理

半导体产业链中游核心为集成电路产业，按工艺流程划分为 IC 设计、IC 制造和 IC 封测三环节。IC 设计厂商根据下游客户需求设计芯片，并交给晶圆代工厂商制造，之后经由封测厂商进行封装并测试，最后将性能良好的 IC 产品交由整合厂商。其中 IC 设计环节需购买专门的IP/EDA 工具，IC 制造和封测环节需购买专门的设备及化工材料。

设计环节具有依赖经验积累的特殊性，且对专业人才高度倚重，处于半导体价值链的最高端，毛利率高，主要为欧美、日韩企业垄断，我国设计企业快速发展，成为全球重要参与者，但短期赶超尚不可待，仍需时间积累；制造环节属于资本、技术密集型产业，台积电借助先发优势占取市场份额，并通过赚取的高额利润加大研发，取得技术上的领先，从而形成强者恒强的局面，国内则远远落后于台湾，中短期内难以超越；封测环节属于劳动密集型产业，技术含量最低，国内发展较快，并成功跻身第一梯队。

(一) IC 设计——产业链中附加值最大的环节

1、美国占据主导，中国蓬勃发展

IC 设计业属于知识密集型行业，是产业链中附加值最高的环节。IC 设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程，也是一个把产品从抽象过程一步步具体化、直至最终物理实现的过程。整个 IC设计过程可以粗略的分为确定项目需求、系统级设计、前端设计、后端设计四部分。受益于全球电子信息产业的快速发展，以及半导体行业垂直分工趋势的进一步细化，全球集成电路设计行业一直呈现持续增长的势头。2018 年全球 IC 设计行业销售额为达 1139 亿美元，以 2010 年数据为基数，8 年间复合增长率达 7.58%。

Fabless 模式为主，美国占据主导

IC 设计公司按照有无工厂可分为 IDM 和 Fabless 两种模式。根据 IC Insights数据显示，2018 年总部在美国的公司在 IDM、Fabless 领域全球市占率分别为 46%、48%，其次为韩国，在 IDM、Fabless 领域全球市占率分别为 35%和小于 1%，第三名为台湾，IDM 和 Fabless 市占率分别为 2%和 16%。中国以小于 1%的 IDM 份额和 13%的 Fabless 份额紧随其后。由此可见虽然半导体产业已部分转移至日本、台湾、韩国乃至中国，但美国在 IC 设计领域市场份额上依然占据绝对主导地位。

从全球排名来看，全球前十大 IC 设计公司基本由美国公司占据。2018 年，前十大公司中，美国占据 6 席，台湾占据 3 席，大陆地区华为海思上榜，跻身前五，与排名第四的联发科的 78.94 亿美元差距甚小。这表明，大陆半导体设计公司在实力上，已达到比肩国际领先公司的水平。2019 年三季度，受到中美贸易战影响持续，华为被美国列入实体清单，其营收受到较大影响，脱离前十位列。英特尔、高通、博通和赛灵思 (Xilinx)切断与华为的交易，导致美系 IC 设计公司营收衰退幅度扩大，全球 IC 设计产业的产值呈现衰退状态。前十大公司中，美国占据 6 席，台湾占据 3 席，英国戴泺格（Dialog）突围入列。

中国企业快速崛起，但总体规模小且自给率低

我国的集成电路设计产业虽起步较晚，但凭借着巨大的市场需求、经济的稳定发展和有利的政策环境等众多优势条件，已成为全球集成电路设计行业市场增长的主要驱动力。2018 年我国 IC 设计行业销售额达 2519 亿元，以2010 年数据为基数，8 年间复合增长率达 27.36%，远超全球复核增速 19.79个百分点，但总体规模合计才可匹及美国一家百亿美元规模的企业，整体市场规模相对较小。

从企业数量来看，我国 IC 设计企业的数量自 2012 年以来逐年增加，并逐步进入到全球市场的主流竞争格局中。根据 2018 年中国 IC 设计产业年终报告数据显示，截至 2018 年底，中国大陆（含香港特别行政区）IC 设计企业达 1698 家，其中营业额小于 1000 万的最多，达到 843 家；1000-5000万的企业数量，合计为 406 家；5000 万-1 亿的企业占比 14.19％，为 241家；而营收＞1 亿的企业合计 208 家，占比 12.25％，合计销售总和达到2017.64 亿元，占全行业销售总和的 79.85％。

国产芯片自主化比例非常低，除了通信设备里因为海思和紫光展锐两个大公司存在有超过 10%的比例之外，其他领域的自给率都非常的低，甚至很多的领域都是接近 0%。此外，核心芯片缺乏，高端技术长期被国外厂商控制，导致我国芯片进出口差额呈持续扩大趋势，严重威胁国家安全战略。

2、EDA 软件和框架构成生态壁垒

一个完整的产业生态圈往往是由技术先导企业引领，在主导技术的同时，逐步拓展产业人才、伙伴，并产生用户粘性，形成产业链规模优势、资金优势、技术优势和客户优势，导致后进入的企业即使在技术或者资金、市场等单独一面有突出优势的企业也难以打破壁垒。对于 IC 设计行业来说，技术上的EDA 软件、底层框架，以及产业链上的伙伴客户以及用户粘性相辅相成，形成了行业进入的生态壁垒。

EDA 工具绑定芯片设计

在芯片设计的环节中，EDA 软件（电子设计自动化，Electronic DesignAutomation）是集成电路设计必需、也是最重要的软件工具，EDA 产业也是IC 设计最上游、最高端的产业，行业内普遍将 EDA 软件称为--芯片之母。

当前集成电路正朝着速度快、容量大、体积小、功耗低的方向发展，实现这种进步的主要原因除了制造技术已进展到纳米级以外，另一个核心就是EDA 技术，目前已渗透到 IC 设计的方方面面，功能十分全面。从发展历程来看，EDA 技术是同大规模集成电路技术、计算机技术和电子系统设计技术的发展同步的，先后经历了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、电子系统设计自动化（EAD）阶段和现代 EDA 阶段。设计者以计算机为工具，在 EDA 软件平台上，用硬件描述语言（Verilog HDL）完成文件设计，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至达到对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。其主要用于三方面的辅助设计工作：IC 设计、电子电路设计和 PCB 设计。

EDA 技术的产生和发展，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，使 IC产品的开发周期大大缩短，且性能和价格比得到很大程度的提高。经过几十年，现代 EDA 工具发展到从仿真、综合到版图，从前端到后端，从模拟到数字再到混合设计，以及后面的工艺制造等，几乎涵盖了 IC 设计的方方面面，功能十分全面。

EDA 在集成电路产业领域内属于“小而精”的产业链环节。随着集成电路芯片市场规模不断提高，市场对 IC 设计的需求加大，EDA 行业也随之发展，但相较几千亿美元的集成电路产业体量而言规模较小且增速较低。根据电子系统设计联盟(ESD Alliance) 数据显示， 2018 年全球 EDA 行业市场规模为 97.04 亿美元，较 2017 年同比增长 4.49%。2019 年 Q1 行业收入为 26.06亿美元，同比增长 12.89%。其中，2014-2018 年复合增长率在 6.89%左右。

EDA 行业存在高度垄断，全球做 EDA 的厂商约六七十家，但核心只有美国的新思科技（Synopsys）、楷登电子科技（Cadence）及 2016 年被德国西门子收购的明导国际（Mentor Graphics），垄断了我国 95%、全球 65%的市场份额，能够给客户提供完整的前后端技术解决方案。国内目前只有华大九天规模较大，此外还有广立微、芯禾科技、蓝海微、九同方微、博达微、概伦电子、珂晶达、创联智软等 EDA 企业，但大部分以点工具为主，缺乏全面支撑产业发展的能力，存在产品不够全、与先进工艺结合存在不足、人才不足等问题。2018 年我国现存 10 余家 EDA 公司销售额累计3.5 亿元，占全球份额不足 1%，与国际巨头之间的差距还非常巨大。

国产 EDA 企业生存环境狭窄，市场培育艰难。EDA 产业投资周期长，见效慢。基本上开发一个 EDA 工具需要 6 年左右的时间，才能真正被市场接受、应用，像Synopsys 和 Cadence 两大巨头在研发上的投入占比约在35%-40%，产业的培育需要较长时间、充分的资金以及政策支持。目前我国产业面临的最大问题首先是工具产品不全，国内最大厂商华大九天已有的产品线仅占集成电路所需工具的三分之一左右。其次是对先进工艺芯片支持不够，国外EDA 公司在新工艺开发阶段就与全球领先的晶圆制造厂进行全方位合作，而国内 EDA 厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据，无法接触到先进工艺的核心部分，难以针对先进工艺设计、改良 EDA 软件，即使能够研发出全套的 EDA 工具，在短期内也难以与三巨头企业的产品抗衡。市场的垄断、技术的封锁、产业链的不协同，反作用于国内 EDA 企业，形成恶性循环，使得国内 EDA 行业培育艰难。

底层架构绑定操作系统

处理器架构是一个比较抽象的概念，如果把处理器比作一个人，那么他既需要有正常的工作能力（执行能力），又要有足够的逻辑能力（明白做事的顺序），最后还要能听懂别人的话（机器语言，即指令集），才能正常工作，这些集中在一起，就构成了所谓的架构，我们也可以理解为一套“工具”、“方法”和“规范”的集合。不同的架构之间工具、方法、规范都可能不同，这就造成了他们之间的不兼容性。

目前处理器架构主要分为复杂指令集（CISC）架构和精简指令集（RISC）架构。延续前面的例子，比如让一个人吃饭，最开始可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺饭，然后张嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”，这样训练久了，我们可以直接对他人下达“吃饭”的命令，这就是“复杂指令集”和“精简指令集”的逻辑区别。

复杂指令集架构主要以 Intel 掌握的 X86 架构为代表，主导 PC 和服务器领域。精简指令集（RISC）架构主要以 IBM、ARM 为首的 ARM/MIPS/Power架构等。ARM 在移动设备、汽车电子、物联网等领域中占据绝对主导。在移动设备市场，ARM 处理器的市场份额超过 90%，苹果、三星、华为等都使用的是 ARM 框架。此外，MIPS/Power/ RISC-V 等其他精简指令集芯片架构也在其他不同的领域各有应用。

芯片框架的困境在于应用生态。Intel X86 框架独霸全球，归功于同微软windows 系统结盟，构建了自身的牢不可破的客户壁垒；ARM 框架同样利用移动互联网的发展机遇，牢牢把握住了 Android、IOS 手机软件系统，建立起一套商业生态体系。目前，除了 X86 架构、ARM 框架外，还有 MIPS、RISC-V 等其他框架，在下游应用不变的情况下，已有的生态壁垒难以突破，随着下游物联网、AI 等技术应用的创新，新的处理器框架有望打破原有壁垒，形成新的产业生态。

在生态垄断的情况下，IC 设计厂商要想自主设计芯片，只能采取授权的方式。Intel 是一家典型的 IDM 厂商，自主包揽芯片的架构、设计和生产，利润可观，其掌握的 X86 架构仅授权给 AMD 一家公司，其他厂商都无法生产。ARM 则自主设计，不从事制造、销售环节，并通过三种不同的模式对外提供授权获得收益。一是使用层级授权，拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的 ARM 处理器核心，不能作任何更改；二是内核层级授权（IP 授权），无法对指令集架构进行修改，只能修改 IP 核，比如三星、德州仪器(TI)、博通等；三是架构/指令集层级授权，可以对 ARM 架构进行大幅度改造，甚至可以对 ARM 指令集进行扩展或缩减。

以华为为例，其处理器已获得 ARMv8 架构级别的永久授权，即便 ARM 不再授权 ARM 指令集给华为，可以完全自主设计 ARM 处理器，但这种形式仅可达到相对自主的程度，当 ARM 发布下一代指令集架构时，华为需要在ARMV8 的基础上自主开放出 ARMV9 指令集架构，且需要和 ARM 系统兼容，其技术难度要大得多。

(二) IC 制造——紧随摩尔定律的规模化制造环节

1、台积电确立了 Foundry 的制造模式

IC 制造即是指制造厂商将设计好的版图制造成实际的集成电路或分立器件，再交给封测厂商进行后道工序的过程。近年来随着人工智能、新能源汽车、物联网的迅速发展及 5G 时代的到来，全球晶圆制造市场发展迅速，根据Gartner 预测，2018 年全球晶圆制造市场营收达 628.72 亿美元，2018-2023 年均符合增长率将达 4.5%。

集成电路晶圆制造一般采用晶圆代工（Foundry）模式。晶圆制造的主体可分为 IDM 企业和晶圆代工（Foundry）模式，晶圆代工占据主要比例，2013-2018 年来纯晶圆代工厂商销售额占整个晶圆制造市场的比例平均约为 86%。Foundry 模式起始于 20 世纪 80 年代台积电的创立，使得晶圆设计与制作分化，由此引发了全球集成电路产业链的一场生态革命。很多 IDM 厂商都转向 Fabless，同时对晶圆代工提出更高的要求。

从行业格局来看，全球最主要的晶圆代工厂有台积电、三星、Global Foundries、UMC、中芯国际等。根据拓墣产业研究院数据，2019Q4 台积电在 Foundry厂商中独占鳌头，占据全球 52.7%的市场、三星紧随其后占据 17.8%，格罗方德、联华电子分别以 8%、6.8%的市占率位居第三、第四，大陆最大的晶圆代工厂中芯国际仅占 4.3%，位列第五。

从市场分布来看，美国依旧是纯晶圆销售的主要市场，2018 年市场销售额达 308 亿美元，较 17 年下降 2%；中国成为全球纯晶圆销售的主要增长极，其中 18 年市场销售额达 107 亿美元，较 17 年增长 42%，19 年市场销售额达 114 亿美元，同比 6%，成为全球唯一增长区域；欧洲、日本市场则有较大萎缩，19 年分别下降 11%、13%。

2、尺寸与制程是晶圆制造的分水岭

晶圆制造属于技术及资本密集型行业，其最关键的技术为制造流程的精细化技术，为攻克最先进制程需巨额资本开支及研发投入，因而产业集中度很高。

在摩尔定律的驱动下，IC 技术提升的关键因素，主要在于“特征尺寸缩小”以及“晶圆尺寸加大”两方面。在“特征尺寸缩小”方面，体现为工艺制程进步，特征尺寸每缩小一半，芯片便增加 4 倍以上，故能大幅提高生产效率、降低生产成本并且提升 IC 功能。而在“晶圆尺寸加大”方面，则是反应在每片晶圆产出芯片数量增加，继而降低生产成本与提高产量两大部分。

先进晶圆制程已进阶至 7nm，国内制程工艺落后两到三代。目前晶圆制造的制程已达到纳米级别，假设指甲的厚度为 0.1mm，那么 1 纳米就相当于把指甲的侧面切成 10 万条线。以 14nm 为例，其制程就是指在芯片中，线宽最小可以做到 14nm 的尺寸，可以说工艺水平已经达到十分微小的级别了。从全球晶圆制造商制程规划来看，以台积电、三星电子、Global Foundries 为主导的晶圆厂商工艺水平已达到 7nm，并逐步向 5nm、3nm 进阶。而我国最大的晶圆代工厂商中芯国际在 19 年年底 14nm 才实现量产，按每两年制程前进一代的规律来看，我国制程工艺落后国际龙头两到三代。

晶圆尺寸呈现从 4 寸→6 寸→8 寸→12 寸→18 寸的路径变化。1980 年代是 4英寸硅片占主流，1990 年代是 6 英寸占主流，2000 年代是 8 英寸占主流，2002 年英特尔与 IBM 首先建成 12 英寸生产线，到 2005 年 12 英寸硅片的市场份额已占 20%，2008 年其占比上升至 30%，2017 年继续上升至 67%，12英寸单晶硅片成为了绝对的主导地位。随着 18 寸硅片的生产技术逐渐成熟，未来 12 英寸也将朝着 18 英寸过渡。

晶圆制造高度集中，中国厂商产能占比较小。从市场份额来看，根据 ICInsights 数据，2019 年三星月产能达到 293.5 万片晶圆，占据全球晶圆产能的 15%。台积电月产能约为 250.5 万片等效晶圆，全球份额约为 12.8%；位列第三的是美光，月产能 184.1 万片晶圆，全球份额约为 9.4%。第四位是 SK海力士，月产能约为 174.3 万片晶圆，全球份额 8.9%，第五位的是铠侠，月产能约为 140.6 万片晶圆，份额 7.2%。这五家公司月产能都超过了 100 万片晶圆，占据了全球产能的 53%。进入前十的还包括英特尔（每月 81.7 万片晶圆）、联华电子（每月 75.3 万片晶圆）、格罗方德 Global Foundries、TI 德州仪器和 ST 意法半导体。国内最大的晶圆代工厂商中芯国际，2019 Q4 财报显示月产能大概是 44.6 万片晶圆，与 TOP5 相比差距还是很大。

(三) IC 封测——后摩尔时代最具发展潜力环节

IC 封装就是把 Foundry 生产出来的芯片裸片（die）封入一个密闭空间内，受外部环境、杂质和物理作用力的影响，同时引出相应的引脚，最后作为一个基本的元器件使用。IC 测试就是运用各种方法，检测出在制造过程中，由于物理缺陷导致的不合格芯片样品，主要分为两个阶段：一是进入封装之前的晶圆测试；二是封装后的 IC 成品测试。

半导体封测主要流程包括贴膜、打磨、去膜再贴膜、切割、晶圆测试、芯片粘贴、烘焙、键合、检测、压膜、电镀、引脚切割、成型、成品测试等。封装的核心在于如何将芯片 I/O 接口电极连接到整个系统 PCB 板上，键合是关键环节即用导线将芯片上的焊接点连接到封装外壳的焊接点上，外壳上的焊接点与 PCB 内导线相连，继而与其他零件建立电气连接。

1、OSAT 将成为封测行业的主导模式

集成电路封测属于 IC 产业链偏下游的行业，通常封装和测试都是一体的，即做完封装后直接进行产品的测试。随着人们对集成电路品质的重视，也有测试产业也逐步从封测产业独立出来，成为不可或缺的子行业。

IDM 和 OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly& Test，半导体封装测试代工模式）是半导体封测产业的两种主要模式。Gartner 数据显示，OSAT 模式一直呈增长态势，2013 年以后 OSAT 模式的产业规模就超过了 IDM 模式，2018 年 OSAT 和 IDM 模式市场占比分别为 54%、46%，伴随着半导体行业垂直分工趋势，OSAT 模式将成为封测行业的主导模式。

2、从传统封装技术到先进封装技术

集成电路封装技术的发展是伴随着集成电路芯片的发展而发展起来的，通常而言，“一代芯片需要一代封装”。封装的发展史也是芯片性能不断提高、系统不断小型化的历史。随着集成电路器件尺寸的缩小和运行速度的提高，对集成电路也提出新的更高要求。

回顾封装产业发展历程，我们按照封装技术进程，以 2000 年为节点，将封装产业分为传统封装阶段和先进封装阶段。

传统封装：

传统封装技术发展又可细分为三阶段。其特点可总结如下，技术上：To-DIPLCC-QFP-BGA-CSP；引脚形状：长引线直插-短引线或无引线贴装-球状凸点焊接；装配方式：通孔封装-表面安装-直接安装；键合方式：引线连接-焊锡球连接。

阶段一（1980 以前）：通孔插装（Through Hole，TH）时代，其特点是插孔安装到 PCB 上，引脚数小于 64，节距固定，最大安装密度 10 引脚/cm2，以金属圆形封装（TO）和双列直插封装（DIP）为代表；

阶段二（1980-1990）：表面贴装（Surface Mount，SMT）时代，其特点是引线代替针脚，引线为翼形或丁形，两边或四边引出，节距 1.27-0.44mm，适合 3-300 条引线，安装密度 10-50 引脚/cm2，以小外形封装（SOP）和四边引脚扁平封装（QFP）为代表；

阶段三（1990-2000）：面积阵列封装时代，在单一芯片工艺上，以焊球阵列封装（BGA）和芯片尺寸封装（CSP）为代表，采用“焊球”代替“引脚”，且芯片与系统之间连接距离大大缩短。在模式演变上，以多芯片组件（MCM）为代表，实现将多芯片在高密度多层互联基板上用表面贴装技术组装成多样电子组件、子系统。

先进封装：

自 20 世纪 90 年代中期开始，基于系统产品不断多功能化的需求，同时也由于 CSP 封装、积层式多层基板技术的引进，集成电路封测产业迈入三维叠层封装（3D）时代。具体特征表现为：（1）封装元件概念演变为封装系统；（2）单芯片向多芯片发展；（3）平面封装（MCM）向立体封装（3D）发展（4）倒装连接、TSV 硅通孔连接成为主要键合方式。具体的先进封装囊括倒装、晶圆级封装以及 POP/Sip/TSV 等立体式封装技术，其特征分述如下：

3D 封装技术：MCM 技术集成多个集成电路芯片实现封装产品在面积上的集成，那么让芯片集成实现纵向上的集成则是 3D 封装技术的主要功效。3D封装可以通过两种方式实现：封装内的裸片堆叠和封装堆叠。封装堆叠又可分为封装内的封装堆叠和封装间的封装堆叠。3D 封装会综合使用倒装、晶圆级封装以及 POP/Sip/TSV 等立体式封装技术，其发展共划分为三个阶段：第一阶段采用引线和倒装芯片键合技术堆叠芯片；第二阶段采用封装体堆叠（POP）；第三阶段采用硅通孔技术实现芯片堆叠。

倒装芯片技术（Flip Chip，FC）不是特定的封装类型，而是一种管芯与封装载体的电路互联技术，是引线键合技术（Wire Bond，WB）和载带自动键合技术（Tape Automated Bonding，TAB）发展后的更高级连接技术。WB 与 TAB的芯片焊盘限制在芯片四周，而 FC 则将裸芯片面朝下，将整个芯片面积与基板直接连接，省掉了互联引线，具备更好的电气性能。

圆片级封装技术（Wafer Level Package，WLP）技术是在市场不断追求小型化下，倒装技术与 SMT 和 BGA 结合的产物，是一种经过改进和提高的 CSP。圆片级封装与传统封装方式（先切割再封测，封装后面积至少>20%原芯片面积）有很大区别，WLP 技术先在整片晶圆上同时对众多芯片进行封装、测试，最后切割成单个器件，并直接贴装到基板或 PCB 上，因此封装后的体积等于芯片原尺寸，生产成本也大幅降低。WLP 又可称为标准 WLP（fanin WLP），随后又演化出扩散式 WLP（fan-out WLP），是基于晶圆重构技术，将芯片重新布置到一块人工晶圆上，然后按照与标准 WLP 工艺蕾丝步骤进行封装。

堆叠封装（Package on Package，PoP）属于封装外封装，是指纵向排列的逻辑和储存元器件的集成电路封装形式，它采用两个或两个以上的 BGA 堆叠，一般强抗下逻辑运算位于底部，储存元器件位于上部，用焊球将两个封装结合，主要用于制造高级便携式设备和智能手机使用的先进移动通讯平台。

硅通孔技术（TSV，Through -Silicon-Via）也是一种电路互联技术，它通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连。与以往的 IC 封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV 能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV 是 2.5D 和 3D 封装的关键技术。

系统级封装技术（System in a Package，SiP）是将多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。与系统级芯片（System On a Chip，SoC）相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式，而 SOC 则是高度集成的芯片产品。

整体而言，封装技术经历了由传统封装（DIP、SOP、QFP、PGA 等）向先进封装（BGA、CSP、FC、WLP、TSV、3D 堆叠、SIP 等）演进。目前全球集成电路主流封装技术为第三代封装技术，即 BGA（球栅阵列封装）、CSP（芯片级封装）、FC（倒装芯片）。其中倒装芯片封装技术被认为是推进低成本、高密度便携式电子设备制造所必需的项工艺，已广泛应用于消费类电子领城。而第四代封装技术，WLP（晶圆级封装）、TSV（硅通孔技术）、SIP（系统级封装）等仍在小规模推广中，在技术升级下它们亦将会成为未来封装方式的主流。

3、国内封装产业率先突围

全球 IC 封测产业规模一直保持着个位数增长的态势（除 2014 年激增导致2015 年数据略降外），2017 年全球封测行业收入 533 亿美元，占半导体行业整体收入的 13%，2018 年全球封测行业收入预计 560 亿美元，保持 4.5%的增速。根据前 25 名封测厂商所在区域统计，中国台湾以 53%的销售额占据了封测行业的半壁江山，紧随其后的为中国大陆和美国，分别以 21%和15%的份额排名第二、第三，马来西亚、韩国、新加坡、日本则分别占据 4%、3%、2%、2%的份额。从市场占比来看，国内封装企业已经进驻全球第一梯队，具备一定的国际竞争力。

当前摩尔定律逐渐到头，IC 成本不断上升，促使业界开始依靠 IC 封装来扩大在超越摩尔时代的获利。因此，得益于对更高集成度的广泛需求，以及下游 5G、消费类、存储和计算、物联网、人工智能和高性能计算等大趋势的推动，先进封装将成为推进 IC 封装产业的主推动力。根据 Yole 数据，2018年先进封装与传统封装占比分别为 42.1%和 57.9%，同时预测，截止 2024 年行业整体复合增长率为 5%，其中，先进封装占比将达到 49.7%，符合增长率达 8.2%，占据行业整体份额的一半；传统封装则保持 2.4%的复合增长率，份额逐步缩小。

从先进封装技术平台细分来看，倒转技术应用最广，占据 75%左右的市场份额，其次为 Fan-in WLP 和 Fan-out WLP。从未来发展速度来看，Yole 预测2018-2024 年，2D/3D TSV 技术、嵌入式封装技术 Embedded Die（使用复合基板）、Fan-out WLP 因未来广阔的市场空间而增速较快，分别将保持 26%、49%、26%的复合增长率。其中 Fan-out 将主要用于移动互联、网络、汽车领域；2D/3D TSV 技术将主要应用于人工智能（AI）/机器学习（ML）、高性能计算（HPC）、数据中心、图像传感器、微机电领域；Embedded Die 技术则主要应用于汽车和医疗领域。

受益于下游消费电子产业的崛起以及半导体产业转移趋势，中国 IC 封测行业快速发展，自 2015 年以来，保持两位数增长趋势，远高于全球增速水平。据前瞻产业研究院发布的统计数据显示，2018 年我国集成电路封装测试行业市场规模突破 2000 亿元，达到了 2193.9 亿元，同比增长 16.1%。

中国先进封装占比低但成长迅速。虽然近年来国内领先企业在先进封装领域取得较大突破，先进封装的产业化能力基本形成，但在高密度集成等先进封装方面中国封装企业与国际先进水平仍有一定差距。目前我国 IC 封装市场中，还是 DIP、QFP、QFN/DFN 等传统封装技术占主体，据集邦咨询顾问统计，2018 年中国先进封装营收约为 526 亿元，占中国 IC 封测总营收的25%，远低于全球 42.1%的比例。国内先进封装的市场份额也仅占全球 10%左右的市场份额。Yole 数据显示，中国封测企业 2018 年在先进封装领域加速提高产能，增长率高达 16%，是全球的 2 倍，其中长电科技在收购星科金鹏之后，其先进封装产品出货量全球占比 7.8%（2017 年），排名第三，仅次于英特尔和矽品。

收购兼并是国内封测企业起步的契机。国内封装企业以长电科技与通富微电为代表，2018 年市场规模分别为 233.36 亿元和 71.64，分别占国内市场份额的 11%和 3%。封装行业技术门槛低，需要通过不断加大投资来提高边际产出，因此行业公司往往追求产量规模的扩大。我国封测企业的快步发展有赖于开启对海内外的并购，不断扩大公司规模。如长电科技联合产业基金、芯电半导体收购新加坡封测厂星科金朋，华天科技收购美国 FCI，通富微电联合大基金收购 AMD 苏州和槟城封测厂，晶方科技则购入英飞凌智瑞达部分资产。

四、 半导体行业发展趋势

(一) 后摩尔定律时代

摩尔定律是由 Gordon Moore 在 1965 年提出的集成电路特征尺寸随时间按照指数规律缩小的法则，具体可归纳为：集成电路芯片上所集成的电路数目，每隔 18 个月就翻一番。在半导体行业发展的前 50 年，真实晶体管的密度发展规律基本遵循摩尔定律，人类社会飞速进入信息时代，同时在半导体工业界也诞生了一大批巨无霸企业，比如 Intel 和 Qualcomm 等等，摩尔定律成为指导半导体行业的发展蓝图。当前半导体制程已拓展至 7nm，特征尺寸越来越接近宏观物理和量子物理的边界，导致高级工艺制程的研发越来越困难，研发成本也越来越高，摩尔定律逐渐到达极限。

2010 年国际半导体技术发展路线图（ITRS）将晶体管密度预计修订为：到2013 年低，每个集成电路上集成的晶体管数目增速将会放缓，变为每三年翻一番。此外，在摩尔定律面临来自物理极限、经济限制等多重压力的现实下，集成电路技术潮流分化为延伸摩尔（More Moore）、超越摩尔（More thanMoore）和超越 CMOS（Beyond CMOS）三个主要方向，系统集成、系统封装以及新材料新技术成为行业技术突破方向。

延伸摩尔：继续以等比缩小 CMOS 器件的工艺特征尺寸，集成各种存储器、微处理器、数字信号处理器和逻辑电路等，以信息处理数字电路为主发展系统芯片 SoC 技术。目前台积电、三星技术节点已达到 7nm，并在继续部署5nm、3nm。当前延伸摩尔依旧是行业技术发展的主推动力。

超越摩尔：以系统级封装 SiP 实现数字和非数字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS 和非 CMOS 电路等光电、MEMS、生物芯片等集成在一个封装内，完成子系统或系统。

超越 CMOS：探索新原理、新材料和器件与电路的新结构，向着纳米、亚纳米及多功能器件方向发展，发明和简化新的信息处理技术，以取代面料极限的 CMOS 器件。

(二) 下游创新应用有望重启硅周期上行通道

2018 年全球半导体市场规模 4688 亿美元，同比+14%，2019 年市场下行，市场规模 4128 亿美元，同比-12%。受存储器价格下跌和市场需求动力不足的影响，全球半导体产业在 2018 年年底开始进入“硅周期”下行区间，2019年加上受中美贸易摩擦影响，全球半导体行业在下行区间徘徊，但全球产业领导者引领技术延续摩尔定律发展的脚步没有放缓。在 5G、人工智能、智能汽车等新兴应用领域的带动下，全球集成电路产业有望在 2020 年引来新一轮发展，重启新一轮硅周期上行通道。

IC 下游应用领域主要为 PC/平板、通信、汽车、消费电子及工业应用，其占比分别为 29%、31%、12%、14%、14%。展望未来，半导体产业除了传统 3C 及 PC 驱动外，物联网、5G、AI、汽车电子、区块链及新能源等多项创新应用将成为半导体行业长效发展的驱动力。根据 IC Insights 预计，2016-2021 年，汽车、IoT 应用领域增速最快，CAGR 在 12%-15%区间，其次为医疗、穿戴领域，CAGR 在 9%-12%区间，智能手机紧随其后，保持在 6%-9%区间复合增长率。

(三) 中美贸易摩擦推动国产化替代成为产业契机

(四) 政策+资本推动中国半导体行业突围

半导体行业是技术和资金密集型行业，需要持续的资金支持和政策扶持才能持续发展。据 IC Insights 数据显示，2018 年全球半导体企业资本支出超过1000 亿美元，达历史最高值，同比增长 15%。前五大半导体企业资本支出占比达 66%，同比+16%。2019 年受市场行情影响，预计全球半导体企业资本支出总额将降至 946 亿美元，其中前五大企业下降 14%，至 610 亿美元。

政策和资本加持是推动中国半导体行业突围的关键。IC Insights 数据显示，2018 年中国半导体资本支出达 110 亿美元，占据全球半导体资本总支出的10.3%，达到 2015 年的 5 倍，并超过总部在日本和欧洲的半导体企业总和。资本的加持使得能够加快扩充生产线，缩小与先进企业的工艺制程差距，推动国内产业快速追赶。

在政策上，我国将新一代信息技术确立为战略新兴产业，集成电路作为信息技术产业的核心产业，并通过制定《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《信息产业发展指南》、《“十三五”国家信息化规划》、《关于集成电路设计和软件产业企业所得税政策的公告》等政策对集成电路行业进行扶持和发展。

五、 投资逻辑

我们通过回溯行业发展周期及产业链技术趋势，深入剖析当前半导体行业发展局势，聚焦半导体产业投资机遇。具体投资逻辑如下：1、以 5G、AI、大数据、新能源为主导的下游应用即将促使半导体行业迎来全新发展的新十年，建议关注积极布局下游新兴领域的创新企业；2、系统集成（SoC）、系统级封装（SiP）以及新材料新技术有望成为半导体产业技术突破关键，建议关注掌握全球优质半导体资产及技术的龙头企业；3、贸易摩擦虽在短期内对中国半导体产业发展有一定影响，但中国半导体行业长期崛起逻辑不变，建议关注掌握自主可控芯片技术及承接国产化替代的优质龙头企业，兆易创新、中芯国际、长电科技等。

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（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：万和证券）

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