正文
前言
半导体产业链刻画：全球分工下，国内外半导体制造存在差距
产业链全球分工情况看，半导体产业呈现出分工（垂直分工、区域分工）和聚集（各环节高度聚集在不同区域）两大特征。
► 垂直分工：由于半导体行业的规模经济性，及晶圆制造扩产所需投资巨大，除部分实力强大的IDM外，多数企业存在将制造工序外包以节约成本的需求，由此产生垂直分工。
► 区域间分工和区域内集中：各个国家地区在产业链上扮演的角色不尽相同，各环节内呈现较高的地域集中度。根据SIA，在半导体制造端，目前约75%的产能集中在东亚地区（日本、韩国、中国大陆及中国台湾）；而在设备、材料端，美国至少在5个子类拥有50%以上的市占率，日本公司在材料领域市占率较高；中国大陆和中国台湾在封测端市占率较高。
另外，半导体设计、设备、代工、封测的产品创新附加值依次降低。中国此前主要承接制造端的需求，以低毛利、重资产投入的封测、代工为主，但通过代工封测的大量研发投入，目前国内企业已经获得相对可观的溢价回报。
图表1：半导体产业链刻画
资料来源：TrendForce，SEMI，中金公司研究部
与海外的差距#1：与海外企业相比在制程端较落后
大陆晶圆代工产业起步慢，与海外先进工艺仍有较大差距。以逻辑制程为例，全球晶圆制造龙头台积电于2011年率先量产28nm技术节点，目前已进入3nm工艺开阶段，韩国三星也已宣布3nm工艺节点量产，而以中芯国际为首的大陆晶圆代工厂仍处于28nm工艺节点的量产阶段，目前14nm及以下工艺处于无法大规模量产的状态，与海外在代工制程上仍存在较大差距。
与海外的差距#2：配套供应链仍较弱
除晶圆代工环节外，其他基础生产要素有如设备、材料、EDA工具（含IP）等在生产过程中也不可或缺，中国大陆虽然在过去二十年中历经了“从无到有”的高速发展，但在“芯片-工艺-装备-材料”的配套供应链能力仍较弱，目前国内在半导体设备和材料的主要环节均有突破，但短期实现完全的进口替代仍有较大难度，尤其在部分关键设备材料如光刻机、光刻胶及EDA设计工具环节与海外龙头的差距仍较明显。
与海外的差距#3：芯片自给率仍较不足
根据IC Insights，2021年中国芯片市场需求规模高达1870亿美元，而总产值仅312亿美元，仅占需求量16.7%。相比于2010年10.2%的供需市场比例，16.7%的芯片自给率已有显著提升，但供需缺口仍大，IC Insights预计2026年中国大陆芯片自给率有望达21.2%，中国大陆芯片自给率仍有望逐步提升。
海外发展借鉴：半导体产业中小企业存在的意义
借鉴韩国产业链发展历史：半导体制造端上游更需要中小型企业的力量弥补，尤其针对市场规模小、壁垒较高、需要基础科学支撑的材料、设备、零部件领域。
► 历史上韩国半导体产业起步较晚，自上世纪60年代起，依次经历了“萌芽-成长-稳定-转型”的四个阶段：1）韩国半导体企业最初仅主要从事劳动密集型的后道封装业务；2）70年代起，韩国政府先后建立了KAIST、KIET等科研机构，并出台扶持半导体产业的六年规划；3）1994年三星先于美日推出256M DRAM产品，标志着韩国半导体的技术水平和生产能力进入世界领先，此后三星等韩企也积极展开逆周期投资扩大产能；4）2019年日本限售半导体材料后，韩国于2021年提出“K-半导体战略”，继续推动全产业链转型升级。
► 韩国政府在本国半导体行业发展中扮演上层引导角色：韩国政府借助出口导向战略指导产业发展，且顺势而为，在不同行业发展阶段出台不同产业规划。而对于具体企业，韩国政府以政策性贷款、税收优惠等方式鼓励企业技术研发，并组建官产学研联盟构建创新体系。
► 韩国半导体产业以大企业财阀寡头竞争为主导，半导体设备材料中小企业与龙头伴生。三星、海力士已投资/收购大量半导体设备材料中小企业，并促进设备材料本地化采购。面对贸易摩擦，韩国政府通过政企联合形式，积极推动半导体核心零部件国产化，目前已取得一定成效，如韩国半导体材料公司Soulbrain已量产氢氟酸，Dongjin Semichem与三星电子合作研发EUV光刻胶通过三星测试等。
图表2：韩国半导体产业发展历史及模式
资料来源：《韩国发展半导体产业的成功经验及启示》，汪超，张慧智，东北亚经济研究. 2018,2(05)；杜渐.韩国半导体设备业发展策略研究[J].电子工业专用设备,2012,41(03):10-11.；中金公司研究部
产业链发展机遇：国产替代仍为半导体产业创新发展的主旋律
聚焦半导体上游各细分品市场，可以看到2021年不同赛道国产化率特点有所不同：
► 设备：整体国产化率在10%-20%左右。晶圆制造设备中，市场规模最大的核心设备光刻机国产化率低于1%，刻蚀、清洗等设备替代进程较快，国产化率分别在20%/30%左右；封装测试设备规模较小，国产率较低，如探针台、键合机等设备国产化率低于晶圆制造设备。
► 材料：整体国产化率在20-30%左右。晶圆制造材料中，硅片、湿电子化学品国产替代程度不及电子特气、靶材等，尤其在高端光刻胶、光掩膜版等领域国产化率几乎为零；封测材料中引线框架、塑封料国产率超40%，但封装基板、探针等仍较低。
► 零部件：机械类零部件国产化率>50%，替代进程较快；其他气/液路、电气、光学等零部件国产率在10%-50%不等。
► 设计：目前我国芯片设计整体国产化率偏低，国内厂商从中低端产品切入，但高端产品仍依赖进口。分产品类型来看，模拟芯片国产化率在12%左右，MCU国产化率约为16%，功率半导体领域高端产品仍有较大差距，其中车规级IGBT等产品仍未摆脱进口依赖，具有较大的国产替代空间。
► EDA：整体国产化率在10%左右，海外三大厂商占据国内主要市场。作为半导体设计和制造环节的基础，EDA国产替代具有较大意义。
图表3：2021年半导体各细分产品全球市场规模及国产化率
资料来源：Wind，QYR Research，Technet，SEMI，IC insights，WSTS，ESD Alliance，Frost & Sullivan，中国半导体行业协会，中金公司研究部
半导体制造：聚焦上游设备、材料等国产化替代进程
产业刻画：半导体制造产业链图谱
晶圆制造设备：半导体制造环节的基石，价值量较高
半导体晶圆制造工序复杂，各步工艺需要不同晶圆制造设备。芯片制造可分为硅片制造、前道工艺、后道工艺等步骤。其中，前道工艺是在已制备的晶圆材料上构建完整半导体电路芯片的过程，主要包含薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入等几大工艺；根据SEMI统计，2021年半导体晶圆制造设备市场规模约875亿美元，在设备、材料等领域价值量最高。
图表4：半导体晶圆制造设备产业链构成
资料来源：Gartner，中金公司研究部
*括号内为2021年全球价值量分布
封装测试设备：半导体工艺良率控制的关键
封装测试设备由封装设备、测试设备组成，种类较多且分散。根据SEMI，2021年全球封装设备销售额71.7亿美元，测试设备销售额78.3亿美元，两大类设备的具体细分如下：
► 封装设备：封装工艺各步骤分别需使用减薄机、切割机、贴片机等细分设备，其中按价值量看，键合机/切割机/焊线机市场规模分别占封装测试设备市场14%/13%/11%，为价值量最高的三类设备。
► 测试设备：后道测试可按照封装前后分为晶圆测试（CP测试）和成品测试（FT测试），均在封测环节完成。后道测试用到的设备主要包含测试机、分选机、探针台三类，三类设备价值量占封装测试设备市场比例分别为33%/9%/8%。探针台在CP测试中和测试机搭配使用，分选机则在FT测试中与测试机搭配使用。
图表5：半导体封装测试设备产业链构成
资料来源：华峰测控招股书，VLSI，SEMI，中金公司研究部
*括号内为2021年全球价值量分布
晶圆制造材料：除硅片外各环节价值量均较低，但对工艺影响较大
前道工艺是硅片表面的微纳加工过程，所需材料种类繁多。根据SEMI统计2021年晶圆制造材料市场规模约404亿美元，前道各工序所需材料如下：
► 硅片：占晶圆制造材料价值量35%，是芯片制造的基底材料，按加工程度可分为抛光片/外延片/退火片/SOI（绝缘体上硅），其中外延片，退火片和SOI硅片是对抛光片的二次加工。
► 电子特气：占晶圆制造材料价值量13%，应用贯穿离子注入、刻蚀、气相沉积、掺杂、扩散等多项半导体工艺制程，具有种类繁多、单一产品用量较小等特点。
► 光掩模版：占晶圆制造材料价值量12%，是光刻中使用的载有IC版图的母版，光线经掩膜版衍射后照射至光刻胶表面，电路图形由此定像在硅片上。
► 超净高纯试剂：占晶圆制造材料价值量7%，是在清洗，刻蚀等多个微电子/光电子湿法工艺环节中使用的各种高纯度电子化学材料的统称。
► 光刻胶：占晶圆制造材料价值量6%，用于将掩膜版上图形转移到硅片等衬底上。光刻胶可分为正性/负性/化学放大光刻胶，其感光成分在光照下发生化学变化，引起溶解速率改变。
► CMP抛光垫/抛光液：占晶圆制造材料价值量3%/2%，用于CMP工艺。CMP抛光液中含有纳米级研磨颗粒用于抛光表面，抛光垫用于辅助抛光液流动带走材料碎屑，提高抛光质量。
► 靶材：占晶圆制造材料价值量2%，是用溅射法沉积薄膜材料的原材料，由靶坯、背板/背管等部分构成，用于金属化工艺。
图表6：半导体晶圆制造材料产业链构成
资料来源：SEMI，中金公司研究部
*括号内为2021年全球价值量分布
封装测试材料：封装领域所需材料较多且细分市场规模较小
半导体封装测试材料主要集中在封装领域，市场规模较小。根据SEMI统计，2021年半导体封装材料市场规模约238亿美元，封测工艺中主要用到的封装测试材料如下：
► 封装基板：占封装材料价值量39%，是半导体芯片封装的载体，为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效，分为硬质封装基板、柔性封装基板两大类。
► 引线框架：占封装材料价值量16%，是借助于键合材料（金丝、铝丝、铜丝）实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接，形成电气回路的关键结构件，起到和外部导线连接的桥梁作用。
► 键合金属丝：占封装材料价值量15%，是连接引脚和硅片、传达电信号的零件，用以实现集成电路芯片与封装外壳的连接。
► 陶瓷封装材料：占封装材料价值量10%，用于封装外壳等处的陶瓷材料，包括高温共烧陶瓷材料（HTCC）和低温共烧陶瓷材料（LTCC）两类。
► 探针：全球市场规模约11亿美元，用于晶圆测试环节，通过连接测试机来检测芯片的导通、电流、功能和老化情况等性能指标。
图表7：半导体封装测试材料产业链构成
资料来源：华峰测控招股书，VLSI，SEMI，中金公司研究部
*括号内为2021年全球价值量分布
半导体零部件：设备厂上游核心部件，机械类零部件占比最大
半导体零部件主要用于半导体设备，种类繁多且工艺复杂。半导体零部件企业的主要客户为半导体设备厂商及晶圆厂，下游客户按需可采购基础零部件自行组装，或直接购买集成度较高的模组和系统。半导体零部件按结构原理可分为如下类别：
► 机械类：占零部件价值量38%，包括腔体、框架、钣金件、金属件、石英件、陶瓷件、喷淋头等。
► 电气类：占零部件价值量14%，包括射频电源、射频匹配器、供电系统、工业电脑、热盘、工业传感器等。
► 机电一体类：占零部件价值量14%，包括EFEM（半导体设备前置模块）、机械手、精密运动系统等。
► 气/液路类：占零部件价值量16%，包括气体控制柜、泵、阀门、管道等。
► 仪器仪表类：占零部件价值量2%，包括气体流量计、液体流量计、真空压力计等。
► 光学类：占零部件价值量13%，包括光源、镜头、相机、探测器、光学传感器、光学元件等。
► 其他零部件：占零部件价值量3%，包括电线电缆、紧固件等。
图表8：半导体零部件产业链构成
资料来源：陈爱华. 半导体工艺处理系统及其处理方法[P]. 上海市：CN100358097C,2007-12-26.，各公司公告，芯谋研究，中金公司研究部
痛难点：核心环节国产化进程有待推进，部分领域技术人才不足
晶圆制造设备：关键环节、先进制程覆盖面较弱
核心关键设备突破难度较大。近年我国半导体设备企业通过内生研发、海外并购等方式，已取得了一些设备领域零的突破，但部分核心关键设备仍难以研制。例如前道工艺的核心光刻机，EUV光刻机基本由ASML一家垄断，上海微电子光刻机仅能覆盖90nm制程；其他半导体设备门类中，同样存在细分产品难以国产化的现象。
先进制程覆盖能力偏弱。目前国内除光刻机外，各类半导体设备已在28nm制程节点布局相对完善，但更先进制程仍难以覆盖。国内各设备厂商虽已在先进制程处取得一定突破，但产线应用领域、设备细分门类覆盖完整度存在不足，且部分先进制程设备仍处验证阶段。
图表9：2021年各晶圆制造设备国产化率、毛利率及全球市场规模
资料来源：SEMI，各公司年报，中金公司研究部
封装测试设备：价值量较低且重要性较高，国产替代动力不足
国产替代进程分化，多数设备仍大量依赖进口。部分封装测试设备如电镀、切筋成型设备国内基本可实现自主供应，但封装测试设备总体国产化率仍低。如我国封测设备2021年整体自给率为5%-10%左右，低于晶圆制造设备10%-15%的自给率；测试设备也多由美日企业垄断，如美国Teradyne、Cohu和日本Advantest占据了2021年全球测试机市场约90%份额。
封装测试设备价值量不高但具备重要性，国产替代动力不足。封测设备虽仅占半导体设备行业价值量的15%，但对晶圆厂运作效率、良率等决定性较高，一旦出现故障将同样造成重大损失。封装测试设备研发同前道一样涉及多学科技术，如测试设备即涉及光学、微电子、物理等交叉学科，但国内人才主要聚焦于前道制造设备，封装测试设备中有经验的人才较少。
图表10：2021年封装测试设备国产化率、毛利率及全球市场规模
资料来源：SEMI，各公司年报，中金公司研究部
晶圆制造材料：制造技术“隐性知识”较多，上游原材料供给能力较弱
晶圆制造材料中电子特气、靶材等领域国产率较高，光刻胶等仍显不足。各类半导体晶圆制造材料中，2021年电子特气、靶材国产化率约为30-40%；硅片、湿电子化学品、CMP耗材总体国产化率约在20-30%，但较高端的12寸硅片国产化率不足5%；光掩模版、光刻胶国产化率均在10%以下，EUV光刻胶等细分国内更是接近空白。
晶圆制造材料技术需要长时间深耕，工艺积累时间长。半导体晶圆制造材料分为配方型化学品和材料特性工艺品，其中配方型化学品需进行配方研发，不同配方间差异性较强，需要时间耕耘掌握其隐性技巧；材料特性工艺品中材料较多，每一种材料差异性较大，如靶材中需要对钨、钛、钽、铜、铝、钴等多种材料进行研究，每种材料均需较长的工艺积累。
晶圆制造材料纯度较高、缺陷要求高。半导体晶圆制造材料纯度要求比传统行业呈指数级增长，对缺陷控制率要求也较高，如硅材料纯度要求在99.9999999%以上（9~11N），湿化学品纯度和净度需达到SEMI标准的C8以上及C12水平，而这些高纯材料国内主要依赖进口。
材料上游供应较弱，产业难以形成联动。国内半导体材料上游生产能力较弱，如硅片上游电子级多晶硅，光刻胶上游树脂，抛光液上游研磨粒子，石英上游高纯石英砂等几乎为海外垄断，配套能力弱。
图表11：2021年各晶圆制造材料国产化率、毛利率及全球市场规模
资料来源：SEMI，各公司年报，中金公司研究部
封装测试材料：国产化率分化，封测材料价值量较小
不同封装测试材料国产化率分化。封装测试材料中已有部分品类基本实现国产替代，如引线框架、塑封料2021年国产化率已超40%；引线框架等材料由于技术成熟，市场规模已趋于稳定。但封装基板、探针等封装测试材料国产化率仍低。以封装基板为例，其国产化率在5%左右，国内企业多为后发进入的PCB厂，封装基板品类集中在WBBGA、FCCSP等类别封装基板，先进基板如FCBGA基板、有源元件埋入基板等仍属蓝海市场。
图表12：2021年各封装测试材料国产化率、毛利率及全球市场规模
资料来源：SEMI，各公司年报，中金公司研究部
半导体零部件：呈碎片化分布，下游支持力度较弱
技术密集，对精度和可靠性要求较高。半导体零件尖端技术密集特性明显，有着精度高、批量小、多品种、尺寸特殊、工艺复杂、要求苛刻等特点，实际生产中需兼顾强度、应变、抗腐蚀、电子特性、电磁特性、材料纯度等复合功能需求。例如半导体级别滤芯，由于光刻工艺对较小污染物的控制苛刻，其精度必须达到1nm甚至以下，而其他行业精度要求则在微米级。
多学科交叉融合，对复合型技术人才要求高。零部件研发涉及到材料、机械、物理、电子、精密仪器等跨学科融合，技术人员需要掌握涂层处理、材料特性及焊接加工等各类工艺难点。以静电吸盘为例，该部件研发需要关注陶瓷材料的导热性、耐磨性、硬度等材料性质，同时在结构设计和性能控制中需用到精密机加工、表面处理技术的知识。
行业品类多样化、碎片化。半导体零部件市场高度细分，导致单一产品空间小、门槛高，因此领先半导体零部件企业多以跨行业多产品线发展策略为主，并购整合也成为龙头扩大规模的主要手段。
下游支持力度较弱。下游设备处于国产替代加速期，加之半导体零部件上线验证程序复杂，弱轻易更改零部件易对性能影响较大，因此设备厂商对上游配套的支持较弱，无应用场景或无大规模采购。另外，由于设备、零部件厂商缺乏有效互动，国内厂商较难在长期产品迭代过程中积累Know-How，因此在模仿试制过程中通常只能做到形似。
产业链机遇：行业景气度较高，技术迭代带来新发展机遇
晶圆制造设备：国内晶圆产线持续扩产，设备市场持续景气
当前国际形势下，国内晶圆厂国产替代拉动半导体晶圆制造设备需求。一方面，Applied Material、Lam Research、KLA-Tencor等美国半导体晶圆制造设备龙头拥有举足轻重的地位，中美贸易摩擦为制造厂商的供应链安全带来不确定；另一方面，我们认为，国产设备厂商在产品竞争力方面逐步提升，国产化份额有望逐渐增加。结合目前国产晶圆制造设备替代率较低的现状，未来国产晶圆制造设备需求空间广阔。
国内晶圆厂持续扩产，带动半导体晶圆制造设备市场持续景气。根据SEMI，2021年全球计划新建的29条半导体新产线中，10条来自中国大陆，与中国台湾并列全球第一。而晶圆厂扩产带来的设备投资增长，是带动设备厂商业绩增长的直接动力。根据SEMI，2021年全球半导体设备销售额为1026.4亿美元，同比增长44%；而中国大陆市场销售额达296.2亿美元，同比增幅高达58%，快于全球。
图表13：中国大陆半导体设备市场规模
资料来源：SEMI，中金公司研究部
封装测试设备：国内封测厂扩产及先进封装的应用有望提升设备需求
主流封测厂扩产下，封装测试设备需求增加。近年国内主流封测厂CAPEX稳步上升，2021年长电科技/通富微电/华天科技/晶方科技四家主流封测厂CAPEX分别增长30.86%/76.45%/81.79%/194.16%至43.58/64.05/55.35/3.65亿元，新产线涉及品类繁多，有望带动封装测试设备需求。
图表14：2011-2021年国内主流封测厂CAPEX情况
资料来源：Wind，中金公司研究部
Chiplet作为各类先进封装技术的集大成者，为未来芯片步入先进制程节点的技术发展趋势。Chiplet（芯粒）是将单颗SOC芯片的各功能区分解成多颗独立的芯片，并通过封装重新组成一个完整的系统。Chiplet让芯片IP具备了除软、固、硬外的第四种形态，芯片设计公司可以按模块根据性价比选择所需工艺制程（包括第三方芯片），在研发上也可以减少重复支出，从而实现更好的成本控制和更快的上市时间（Time to market）。Chiplet成本上的优越性，以及相比SoC芯片的良率、异构集成优势，使其为全产业链提供了新的发展机遇，近年来受到越来越多的关注。
先进封装催生中道工艺，有望形成前封装测试设备联动。先进封装技术中，Bumping、TSV和RDL等新的连接形式取代了传统的引线键合，并且产生了用到类似前道工序技术的中道工艺。因此与传统封装设备相比，先进封装设备面临更丰富的封装功能、更细致的精度控制和更高的自动化水平等要求。
晶圆制造材料：材料市场景气，海外供应链安全风险推动国产替代
国内半导体材料市场持续景气，中国大陆占全球份额稳步提升。全球半导体材料市场规模由2012年448亿美元增至2021年643亿美元，CAGR达4.1%；与此同时，中国大陆市场规模由2012年55亿美元增至2021年119亿美元，CAGR达9.0%，增速远超全球，中国大陆占全球半导体材料市场比例也由12.28%增至18.51%。我们认为，晶圆制造材料作为半导体材料的主要部分，在晶圆厂持续扩产趋势下，需求有望保持景气。
图表15：2012-2021年中国大陆和全球半导体材料市场规模
资料来源：SEMI，中金公司研究部
海外供应链风险频出，国产替代迫切度上升。近年晶圆制造材料断供事件频发：2019年日本限制含氟聚酰亚胺（PI）、光刻胶，以及高纯度氟化氢（HF）三类材料对韩出口；2021年2月信越化学受地震影响向中国大陆多家晶圆厂限制或断供KrF光刻胶，上述事件对被断供方芯片生产影响均巨大。为分散海外供应链风险，国内对晶圆制造材料国产替代的意识有所增强，有望为国内晶圆制造材料厂商带来机遇。
封装测试材料：下游扩产叠加先进封装，封装材料迎来新需求
国产替代及封测厂扩产同样有望带动封装测试材料需求。我们认为对于当前国产化率较低的封装测试材料如先进封装基板、探针等，封测厂国产替代有望成为封装测试材料公司扩展市场的机遇，另外，国内主流封测厂CAPEX稳步上升，同样有望带动相关材料需求量。
先进封装趋势下，封装测试材料需求结构分化。我们认为，先进封装市场对于片间连接需求较大，基板总面积需求将迎来较大增长。据SEMI预测，2019-2024年，基板的复合年增长率将超过5％；WLP电介质将以9％的复合年增长率增长最快；晶圆级封装采用的材料增速明显快于其他种类，其中WLP电镀化学品复合增速预计超7%，WLP电介质增速预期约9%。虽然先进封装对引线框架和键合丝线的需求较小，但长期来看，我们认为，如QFN、TO等传统封装形式发展至今规模化生产水平已较高，仍具备成本优势，市场规模有望维持稳定增长。
半导体零部件：设备行业景气带动零部件企业，各部件国产替代程度不一
半导体设备行业景气下，零部件厂商有望快速放量。根据SEMI，2021年中国大陆半导体设备市场销售额达296.2亿美元，同比增幅高达58%。我们认为，国内半导体零部件厂商在产品售价、供应链安全、上下游协作方面具备优势，未来获得半导体设备厂商认证机会可能性较大，随国内设备市场持续景气，有望实现快速增长。
各类零部件内部品种多，国产替代进度不一，具体来看：
► 机械类：钣金件、金属件、腔体等技术壁垒较低的机械类零部件，已实现较高国产化率；静电吸盘、密封圈等相对较难的机械类零部件国产化率仍然较低，甚至不到1%。
► 电气类：国内厂商已有一定可编程电源、射频电源生产能力。
► 机电一体类：国内企业在机械手、EFEM等方面技术实力较欠缺。
► 气/液路类：国内厂商已具备管路等相对简单零部件的国产化能力，但真空阀等高技术壁垒部件国产化率较低。
► 仪器仪表类：国内厂商在MFC（质量流量控制器）方面具有一定市占率。
► 光学类：LIMO（炬光科技）是ASML光场匀化器供应商，技术水平处于全球领先水平，但国产前道光刻机尚未规模商业化。
发展现状：制造端设备/材料/零部件领域专精特新企业创新效率更高
半导体制造中小企业、专精特新企业具有更高创新资源投入密度。将A股半导体制造业中小企业、专精特新企业与大企业对照，我们看到中小企业/专精特新企业数量占比分别为48%/38%，营收贡献占比为8.3%/22.2%；中小企业与专精特新企业在平均ROE/ROA等盈利能力指标上，与大企业较为接近，但两者平均研发费用率为10.5%/10.5%，均高于大企业；中小企业研发人员人均专利数为1.15，同样高于大企业，证明中小企业与专精特新企业研发创新资源投入密度较大，专利产出效率较高。
图表16：半导体制造产业链内专精特新、大企业、中小企业特征对比
资料来源：Wind，公司公告，中金公司研究部。注：筛选标准为2017年工信部颁布的《中小企业划型标准规定》；数据截至2021年年报；营收单位为亿元。
将A股半导体制造专精特新企业各指标与A股半导体全样本对比，我们看到：
► 专精特新企业盈利能力偏弱，政府资金投资扶持需求大。专精特新、A股半导体企业ROA/ROE/EPS均值分别为6.44%/10.46%/0.87元和10.07%/14.57%/1.37元，三项指标前者均低于后者。
► 专精特新企业创新成果转化为业绩的能力更强。专精特新企业在各项“销售收入/研发费用”比值相关指标上均领先A股半导体，证明专精特新企业研发成果转化为公司产品销售收入的能力较强。
► 专精特新企业专利密度更高。尽管专精特新企业规模、资源相对更少，但近五年独立获得的发明专利/实用新型专利数量均值高达74/99个，已接近A股半导体水平。专精特新企业在近3年/5年人均获得专利的四项指标上，高于A股半导体，证明专精特新企业创新成果转化率更高。因此，中小企业进入专精特新细分领域，其丰富创新成果有助于我国半导体产业链补链。
图表17：2021年A股半导体制造上游专精特新企业盈利能力、创新效率数据对比
资料来源：Wind，中金公司研究部
总结：半导体制造端设备/材料/零部件行业适合中小企业进入补链
考察决定中小企业是否适合进入的四个产业要素，可以看到半导体设备材料行业是中小企业实现产业突破的合适切入点：
► 资源密度：半导体设备材料在芯片制造子行业中研发投入强度较大，且行业集中度高、国产化率低，国产替代需求强，创新企业切入的迫切度高。因此相比于资本/技术双密集型的制造行业和相对劳动密集型的封测行业，技术密集型的设备材料行业更适合中小企业切入。
► 产业周期：不同于全球半导体产业处于成熟期，由于国内设备材料行业起步较晚，国内设备材料细分赛道多处成长期，技术迭代有望催生中小企业进入机会，如先进制程推动新设备材料需求、3D封装催生中道设备需求等。
► 产业集中度：设备材料行业集中度高，全球CR5均在70%以上，且海外龙头占据国内市场主要份额，国产替代机会丰富。通过基金扶持、定向采购、建立产学研联盟等方式，国家政策正在给予中小企业打破垄断所需的资金、技术相关支持。
► 产业链环节：设备材料行业处于产业链中上游，通过实施差异化、专业化的利基策略，中小企业议价优势将更加明显。
图表18：考察四大产业要素，半导体设备材料行业适宜创新中小企业进入
资料来源：各公司年报，SEMI，中金公司研究部
半导体设计：下游应用百花齐放，多领域国产替代空间广阔
产业刻画：半导体设计产业链图谱
半导体设计产业链上下游较为清晰，主要包括设计、晶圆代工和封装测试三大部分。半导体设计商根据客户需求设计出相应芯片版图后，交由代工厂根据设计版图进行掩膜制作和晶圆加工，最终由封装测试企业制作出最终产品形态。半导体制造和封测过程复杂，其中用到硅片、光刻胶、电子特种气体、溅射靶材等材料以及光刻机、离子注入机等设备。此外，电子设计自动化技术（EDA）贯穿了整个半导体设计和制造流程，可用于超大规模集成电路的逻辑设计、验证和物理设计等过程中，是撬动半导体行业的支点。
图表19：半导体设计所处的产业链结构
资料来源：IC Insights，Omdia，中金公司研究部
集成电路市场快速发展，芯片设计占比超四成。我国半导体发展起步较晚，但受益于市场需求及有效的政策推动，多年来保持快速增长趋势。根据中国半导体行业协会数据，我国集成电路市场规模从2017年的5411亿元上升至2021年的10996亿元，年均复合增长率为19%；其中芯片设计领域的销售规模从1946亿元增至4519亿元，CAGR超过20%，占产业规模比例从35%提升至41%。随着人才的逐步积累和下游应用场景的多元化，芯片设计在诸多细分领域的工艺设计中实现突破。我们认为中国芯片设计行业主要具备轻资产运营、技术门槛高、国产替代趋势明显等特征，相关机遇有望推动我国领先的IC设计公司逐步对标海外龙头。
我国芯片设计商多为轻资产模式运营，以实现产品的快速迭代和创新。从商业模式上看，芯片设计完成后的制造过程对工艺协同及设备等要求较高，初始投资成本较大。相比于全球龙头企业而言，国内厂商收入规模和产品数量相对较少，因此国内芯片设计商多采取Fabless模式运营，将制造、封装和测试的环节交由外协厂商，并实现芯片设计产品的迭代创新，财务上则表现为较高的资产收益率。Fabless模式初始投资规模和创业难度较小，主要依靠研发人员，因而企业运营费用更低，产品转型更加灵活。相比之下，德州仪器、美光科技、英特尔等国际龙头企业采取IDM或Fab-lite模式运营，均建设了自有生产线，产业链布局更加完善。
图表20：芯片设计商三类经营模式对比
资料来源：各公司年报，中金公司研究部
芯片设计属知识密集型行业，技术门槛高，对创新型人才的需求提升。芯片设计下游应用市场上，消费电子、智能家居产品功能和形态不断丰富，汽车电子对能耗、体积、续航时间等提出更高的要求，催生芯片设计和制造流程更加复杂化。由于设计环节涉及物理、化学、计算机等多个学科，属于知识密集型领域，对人才的技术及综合素质要求较高。目前我国自主培养的有经验人才尚少，部分出国留学人才毕业后选择海外工作，人才流失率高，导致国内芯片设计人才缺口明显。同时，培养一个熟练工程师的周期较长，如IC硬件设计师入行需接近三年，独当一面完成新产品突破通常需近十年之久，成长周期较长。
图表21：典型数字IC设计师的成长路径
资料来源：IC修真院.数字设计ICer的成长四个阶段（2021），前程无忧，中金公司研究部
海外龙头主导全球IC设计，国产替代趋势明显。根据Gartner数据，2021年全球芯片设计前十大厂商中有7家为美国企业，CR10为54.6%。数字芯片领域，高通、英伟达等国际龙头高度垄断，剩余市场空间较小，GPU、CPU等细分领域国产化率较低。根据赛迪智库，2020年我国EDA市场销售额约80%由Synopsys、Cadence、Siemens国际三巨头占据。相比之下，全球模拟芯片市场集中度较低，根据IC Insights统计，2021年全球第一大模拟IC厂商德州仪器市占率为19%，CR5仅为51.5%。中国半导体行业协会数据表明，我国模拟芯片自给率从2017年的6%提升至2021年的约12%，未来仍有增长空间。我们认为，功率芯片、模拟芯片和EDA等领域呈现出国产替代趋势，国内芯片设计商发展机遇大。
图表22：2021年全球各地区市占率情况
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
图表23：2021年全球模拟芯片竞争格局
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
痛难点：制造能力和人才不足，产业生态不完善
从芯片产业链的全球竞争格局来看，在芯片设计环节，高通、英伟达、德州仪器等国际龙头占据绝大部分市场；在芯片制造环节，美国、欧洲和日本技术水平领先，高附加值的核心材料和设备我国目前仍然依赖进口，自主研发的光刻机和部分化学试剂存在明显短板；在封装测试环节，长电科技、通富微电、华天科技等国内企业全球排名领先，和海外差距相对较小。整体而言我国芯片设计企业面临的痛难点包括工艺材料、人才缺口和生态体系三方面。
第一，EDA工具和材料设备水平不足掣肘芯片设计的发展。芯片设计和生产高度相关，EDA是芯片设计所需的重要工具，半导体设备和材料水平则决定了芯片设计能否成功大规模量产。而目前我国在半导体材料设备及EDA领域的市占率均较低，整体呈现出依赖进口的特点。
► 设备：模拟芯片多采用成熟制程，数字芯片受先进制程限制。半导体制造设备中刻蚀机、光刻机和薄膜沉积设备产值较大。刻蚀机领域，根据中微公司公告，其研发的等离子体刻蚀设备已达到5nm水平，在部分关键客户市占率已经进入前三；光刻机作为芯片制造中的核心高端设备，目前我国主要依赖从ASML等海外厂商的进口；薄膜沉积设备方面，根据Gartner数据，AMAT在PVD设备领域市占率达85%，CVD领域AMAT、Lam、TEL合计占比达70%。通常而言，模拟芯片产能主要集中于8寸和12寸晶圆，注重产品可靠性、稳定性和功耗等因素。成熟制程广泛应用于模拟芯片的制造中，国内华虹宏力等企业聚焦特色工艺市场，瞄准国际龙头渗透率相对较低的代工业务拓展市场份额，因而模拟IC受制造能力的影响相对较小。相比之下，部分数字芯片制造采用先进制程，而先进制程市场基本被台积电、三星和英特尔占据，国内鲜有企业涉及，限制了部分高端数字芯片设计商的发展。
► 材料：高纯度硅片保证芯片原本设计功能，光刻胶国产化率低。硅片在半导体材料成本占比大，目前逐步走向大尺寸。半导体制造对硅片的纯度、表面洁净度、平整度和杂质含量都有较高要求，芯片制程的提高对硅片的要求更严苛，制造难度更高。根据IC Insights数据，2020年信越化学、盛高、环球晶圆、Silitronic、SK海力士合计市占率超过85%，国内龙头沪硅产业仅占2.2%的份额，具有较大提升空间。此外，光刻胶作为核心材料之一，技术难度较高，验证周期长，目前海外龙头厂商JSR、TOK、信越化学基本在高端光刻胶实现垄断，我国厂商目前多聚焦于紫外宽谱、g/i线等低端市场，缺乏高端市场布局，制约了先进制程的探索和部分芯片的量产。
► EDA：设计环节的基础，头部企业高度垄断。从产业链视角来看，EDA工具贯穿行业全流程并扮演基础性角色，其“定期授权+技术服务”商业模式决定了高行业壁垒。根据华大九天招股书，2020年楷登电子、新思科技和西门子三大国际巨头占据中国EDA市场超80%的市场份额，华大九天排名第四，国内市占率约6%。而14nm以下的先进EDA软件由美国企业垄断，龙头通过获取代工厂高端生产线的实际运行数据优化EDA设计，进一步提升行业壁垒。
第二，行业人才存在缺口，推高企业人工成本。根据中国半导体行业协会数据，2021年我国芯片设计从业人员合计22.1万人，人均产值207.6万元，人均劳动生产率同比明显提升。根据中国电子信息产业发展研究院等机构发布的《中国集成电路产业人才白皮书（2019-2020年版）》，2019年集成电路行业整体主动离职率为12.5%，细分领域中芯片设计离职率最低，为10.8%但同比提升了1.01 ppts。对于技术门槛较高且知识密集型的芯片设计企业而言，招聘有经验的员工而非应届毕业生更为有效，因此行业跳槽薪资迅速提升。根据科锐国际《2022年人才市场洞察及薪酬指南》，2022年集成电路热门岗位跳槽薪资涨幅较高，较高的薪资也推高了企业的人工成本。
第三，市场生态体系的构建不完善，产业资源分散。对于芯片设计而言，其最终应用时需要与其他软硬件设施协作支撑整体的正常运行。由于开发自主的操作系统初始投入较高且难度较大，因此国产芯片往往需要购买相应版权，难以独立构建完善的产业生态体系。此外，我国芯片设计公司数量迅速增长，产业资源较为分散，低端产品恶性竞争导致利润率较低，高端产品则缺乏足够的人才和资金投入。根据中国半导体协会数据，2021年末我国芯片设计企业达到2810家，其中销售过亿元企业289家，前十大设计企业的销售额占比再次降至50%以下，集中度偏低。相比之下，欧美等国芯片设计市场集中度较高，龙头企业有较强议价权，高利润率也使得企业能持续研发创新，实现正反馈循环。
图表24：中国芯片设计企业分布及发展情况
资料来源：中国半导体行业协会，中金公司研究部；注：表中N代表企业年销售收入。
芯片自给率低的现象主要表现在汽车、工业和通信领域，国产化仍有较大的发展空间。汽车芯片对安全性要求高，海外龙头企业和头部车企签订长单，竞争壁垒较强；工业芯片定制化需求较多，我国技术仍和海外存在差距；通信芯片同样多被欧美厂商占据，供应商粘性较强。我们认为，下游需求增长及国产替代机遇有望推动国内芯片设计商逐步提升市场份额。
汽车领域：自给率普遍较低，关键芯片依赖进口
汽车电动化和智能化趋势带动单车芯片价值增长，海外龙头处垄断地位。根据IC Insights和Gartner数据，2021年纯电动单车半导体价值量964美元，相比传统燃油车提升95%；2020年全球汽车芯片前五大厂商英飞凌、恩智浦、瑞萨、德州仪器和意法半导体CR5超40%。车规级芯片对安全和耐用性要求较高且验证周期长，使汽车芯片国产化难度较高。我们认为，随着汽车智能化和电动化带动产业链重构，如下五大细分领域国内企业有望取得突破。
► 计算与控制芯片：在智能化需求下，32位车载MCU处理器占比逐渐提升，而车规级MCU技术门槛较高，目前我国高端MCU产品基本依赖进口。
► 模拟芯片：汽车是模拟芯片下游第二大应用场景，电动化和智能化趋势分别提升电源管理和信号链芯片市场规模。目前国外厂商占据主导，但国内企业研发投产正加速推进。
► 功率半导体：IGBT是国内企业重点布局的核心，目前已有部分企业具备国际竞争力；第三代半导体SiC应用愈加广泛，但目前我国和海外产业链差距仍较大。
► 传感器：图像传感器、毫米波雷达等均为热门赛道，海外企业技术和市场地位均处领先位置，国内激光雷达处于发展初期，我们认为车载摄像头需求增长有望带来国产替代机遇。
► 存储芯片：目前DRAM和NAND市场由三星、SK海力士和美光等外国企业占据，NOR FLASH国产化率高。我们认为，汽车存储系统水平的提高有望拉动存储芯片市场扩容。
图表25：主要汽车芯片分类、相关公司及专精特新现状
资料来源：奥迪官网，IC Insights，IHS，中国半导体行业协会，各公司公告，中金公司研究部；注：图示车型为奥迪纯电动e-tron GT。
工业领域：技术存在差距，中高端芯片市场由海外龙头占据
低端工业芯片逐步实现国产替代，中高端领域差距较大。工业芯片下游客户和应用场景较为分散，应用场景的温度、湿度、电磁场等因素都会不同程度影响产品的作用效果，导入需要一定时间。国际龙头多采取IDM模式，制造工艺独特，产业链一体化有助于降本增效，竞争壁垒较高，因而工业芯片呈现出明显的“强者恒强”特点。根据Gartner统计，美国、日本、欧洲2019年工业芯片产值占全球比例分别为46%、16%和14%，相比之下我国2019年工业芯片销售规模约33.6亿美元，占全球比例约7%。目前中低端工业芯片领域我国已逐步国产替代，但中高端工业芯片则主要依赖进口，技术和海外厂商存在差距，国产化率较低。
以光伏逆变器为例，其首要目的是实现直流和交流电的转换。IGBT模块和电源管理芯片等半导体是重要的组成部件，根据固德威招股书，半导体器件占逆变器成本达到11%。具体来看，IGBT主要由英飞凌、安森美等公司垄断，德州仪器、意法半导体等企业占据模拟芯片较大市场份额。随着市场持续供不应求，国内厂商获得发展机遇，IGBT供应商斯达半导、士兰微均自主研发并量产光伏逆变器芯片以满足市场需求，但中高端技术和海外龙头相比依旧存在差距，尤其是大功率耐高压产品。电源管理领域相对而言集中程度稍低，国内圣邦股份、思瑞浦等龙头均布局LDO、DC/DC等业务，我们认为需求高景气有望促进国产替代加速。
图表26：光伏逆变器中使用的模拟芯片及功率器件
资料来源：ROHM官网，德州仪器官网，英飞凌官网，芯谋研究，公司公告，中金公司研究部；注：自给率及市占率为大致测算数据。
文章摘自：2022年8月19日已经发布的《专精特新 | 半导体：向“专”而行，“精”益求精》