$长光华芯(SH688048)$ $炬光科技(SH688167)$ #半导体#
【注】本文涉及的资料均来源于公开信息，全文写于9-10月
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三、长光华芯的现状分析——商业模式、技术研发、资本支出、生产制造、产品销售
（一）商业模式：建立在研发和产能上的护城河
3.1.1、分析框架：资本开支/技术研发→先进产品和产能→进入供应链→销量利润
长光华芯作为一家以激光芯片为核心产品的制造企业，其商业模式如下：
公司利用股东注资、市场融资或积累的利润，投入技术研发和生产设备，转化为高质量的产品方案，同时技术研发对设备的二次开发能够推动产能建设。产品和产能能够共同形成满足下游客户需求的产品制造和服务能力，在国产替代和激光新应用迭出的行业机遇下，公司的产品能够进入下游客户的供应名单中，同时公司产品+产能的组合可以对产品进行快速迭代和修改，更好地满足客户需求。此外，公司的生产满足半导体行业中的“摩尔定律”，产品性能和生产成本呈现指数趋势变化。产品、产能和销售共同带来公司销量和利润的成长。
图37：长光华芯商业模式与分析框架
3.1.2、关键问题之一：半导体企业or工业设备企业？
公司的核心产品是半导体激光芯片，下游的芯片封装、模块耦合、激光设备制造均为打开公司芯片产品市场、减少下游客户验证成本以及提升公司芯片市占率的措施，同时相比最上游的芯片制造，下游延伸的环节毛利增量有限，对于长光华芯并不能带来较多利润上的提升。从2022H1公司芯片销售额占比回升也可以看出，公司在产能供不应求的情况下是优先销售芯片产品。
3.1.3、关键问题之二：垂直整合制造（IDM）模式or无工厂（Fabless）模式？
在芯片制造领域，厂商通常有两种业务模式，一种是垂直整合制造（IDM）模式，即公司具有芯片设计、晶圆加工、芯片封装测试等完整的生产设计能力，另一种是无工厂（Fabless）模式，即公司只负责芯片设计而晶圆加工、芯片封装交给专业厂商处理。以处理器芯片为例，前者IDM模式的代表为英特尔、三星，运营模式相对重资产，后者Fabless模式以英伟达、高通、AMD为代表，运营模式相对轻资产，台积电就是典型的代工厂。
图38：长光华芯是典型的IDM模式厂商
长光华芯是典型的IDM模式厂商，同时激光半导体行业里的龙头公司，如贰陆集团（II-VI，今年9月改名Coherent）、IPG光电、朗美通（Lumentum）等，都是IDM模式。而处理器芯片中却有较多的Fabless厂商。
其根本原因是处理器芯片设计和制造的难点不仅在微观的高度上需要考虑如何加工各层物质使其具有半导体的功能，还需要在长度和宽度上考虑逻辑电路的设计，同时实现处理器芯片对信息和能量正确的处理。因此处理器芯片采用Fabless模式可以减少大规模资本性投入，有利于芯片设计类企业集中资源于电路优化、版图设计、仿真模拟等环节，但多适用于逻辑芯片企业。而半导体激光器只需要对能量进行处理，将电能转换成光能，因此只需要考虑微观高度上各层物质的加工以及宽度上的分割处理，而不需要处理信息。因此，对于激光半导体，其技术壁垒主要在于材料加工，器件价值的提升不完全依靠尺寸的缩小，而是在于功能的增加（转换效率、波长、稳定性）。
图39：处理器芯片（上）的设计加工需要考虑长宽高三个维度，激光芯片（下）的设计加工只考虑高和宽两个维度，中关村在线，激光制造网
两者的区别导致在激光半导体领域，加工制造工艺的地位相对更重要，而芯片设计的地位相对较低，导致Fabless模式下节约的资本开支并不能转换成芯片研发设计优势。相比之下，IDM模式保留了快速响应客户需求、实现弹性生产，同时能够对新技术进行验证和迭代的优点。
3.1.4、关键问题之三：竞争对手有哪些？
目前，全球主要的激光半导体生产公司主要包括Coherent（贰陆集团于2022年9月完成对Coherent的并购，贰陆集团改名Coherent）、朗美通（Lumentum）、IPG集团、恩耐集团（nLight）、欧司朗（Osram），前四家公司为美国公司，欧司朗为欧洲公司。五家公司均为IDM模式企业，具有从外延到封装耦合过程的各类技术。
国内目前具有类似长光华芯产品系列和技术的公司主要有华光光电、武汉锐晶（锐科激光持股51%）、瑞波光电等，均为IDM模式企业，而纵慧芯光则是只有VCSEL设计的Fabless公司。
表4 激光半导体主要生产厂家产品情况
表 5 激光半导体主要生产厂家介绍
表6 主要半导体激光器公司技术范围
（二）技术研发：高投入带来快进步
3.2.1、研发投入：研发费用率高于领军企业，研发人员薪资颇具竞争力
公司近年来研发投入随着营收规模增加而逐渐增长，研发费用率从创业期40%以上逐渐下降至近三年的20%左右并保持稳定，高于全球成熟头部企业的10-20%左右的水平，因为公司仍处于产品拓展开发期。后续随着苏州半导体激光创新研究院平台的建成，公司将具有更好的研究资源投入平台。
图40：长光华芯研发投入
图41：主要激光半导体公司研发费用率
图42：长光华芯研究部门架构
根据公司研发支出披露的人员人工科目和公司员工情况，2020、2021H1、2022H1公司科研人员平均月薪分别约为1.64万元、2.41万元、2.97万元，远高于2021年苏州市平均月薪的1.01万元水平。
3.2.2、技术成果：覆盖激光半导体从外延生长到激光系统各个环节
表7 主要半导体激光器公司技术范围，公司官网
图43：长光华芯历年获得授权专利数量
图44：长光华芯单管产品最高
经过10年的技术积累，公司目前拥有从外延生长到激光系统各个环节的技术专利。目前已取得专利超过110项，其中发明专利超过60项、实用新型专利超过40项。在产线方面，公司已经构建GaAs砷化镓和InP磷化铟两大材料体系、具备EEL和VCSEL两大制造工艺及产品体系，拥有全制程6吋产线。公司在外延领域掌握了高准确度的厚度生长技术、腔膜对准技术、高性能隧道结掺杂技术、高增益应力量子阱生长技术，在晶圆加工领域掌握了应力平衡技术 、低损伤Mesa刻蚀技术、低应力湿法氧化工艺以及高良率薄片等多项工艺。
公司的技术成果也已经转化成为高质量产品，目前公司产品转换效率可达60-65%，2022年最新推出的单管产品效率最高可以达到35W。
3.2.3、产品质量：公司产品性能位于行业前列
公司至今只有10年历史，但是在单管、巴条、光纤耦合模块等产品上性能参数已经追平技术同行，甚至部分已经超过同行。
对于单管产品，915nm、976nm（975nm）波长的单管芯片下游需求较大，为半导体激光行业的主流产品。在这个波长范围内和190-230μm的条宽范围内，长光华芯目前高功率单管芯片输出功率达到30W，寿命可达20000小时，电光转换效率达到63%，2022H2推出35W的产品。
对于巴条产品，在100μm条宽附近，长光华芯的高功率巴条芯片可实现100W连续激光输出及300W准连续激光输出，在200μm条宽附近可实现200W连续激光输出及700W准连续激光输出，电光转换效率最大可达63%。同时对于由巴条组合而成的阵列模块产品，单bar最高可实现700W激光输出，最大可封装60个巴条，相对贰陆集团的36条、炬光科技和华光光电的30条、凯普林的45条更多。
对于光纤耦合模块，在135μm光纤芯径下，长光华芯光纤耦合模块可实现260W激光输出，在200μm光纤芯径下可实现630W激光输出，略低于星汉激光，但高于其他公司。
对于VCSEL产品，目前主要波长为808/850/940mm，根据用途和工艺不同功率在10mW-10W不等，电光转化效率多维持在40-45%，发散角多为18-25°，客户定制化需求多。长光华芯与其他公司相比，产品参数差别不大，产品覆盖种类较为完善。在多结产品上，长光华芯目前可定制6结VCSEL产品，功率密度可达1200W/mm²，已有8结和16结的技术储备，目前对于汽车激光雷达，6结的功率已经达到使用要求。
总体上，公司已有产品在寿命、效率、功率等方面基本上已经达到国际头部企业水平，在国内企业中处于领先地位。同时国内具有完整生产激光芯片技术的企业数量也不多，仅有武汉锐晶、华光光电、瑞波光电等企业，其产品种类丰富度不及长光华芯。
表8 长光华芯于其他公司产品性能对比（左上单管产品，左下巴条产品，右侧光纤耦合模块）
表9 VCSEL单结产品对比
表10 VCSEL多结产品对比
（三）资本支出：扩张期投入增加
2018年至今长光华芯资本性开支不断增加，从不到4000万元提高到2021全年的1.32亿元，抢占市场机遇加速扩张的势头清晰可见。随着产品实力的增强，客户认可度的提升，长光华芯正处于顺利扩张期。头部企业已经进入成熟期，资本开支在2018 -2020年维持在5-10亿左右，相比之下长光是逆势扩张。
同时，随着公司业务规模和利润的提升，公司的资本开支也逐年提升。
图45：长光华芯资本开支（单位：百万元）
图46：长光华芯资本开支和其他公司对比（单位：亿元）
长光华芯IPO主要募投项目中分别就高功率激光产品、VCSEL及光通讯激光芯片进行扩产，未来三年将再投入超过9个亿。
（四）生产制造：产能带来成长性，技术带来高溢价
3.4.1、产能和产量：高资本投入带来产能产量快速增长
目前公司扩建一期项目已经于2022Q2末投产，实现单月500万个（年化6000万个）单管芯片的产能。与2021年全年单管产能1500万片相比有巨大提升。
表12 长光华芯产能和设备情况
长光华芯新产能使用6英寸晶圆，相比3英寸产能可以提升5倍。一方面晶圆面积扩展至原来的4倍，另一方面圆周附近残缺的芯片比例下降，两者共同提供5倍的产能扩张。目前6英寸为激光半导体行业内最大的晶圆产能，技术地位上等同于处理器的12英寸晶圆。
对于制造设备，并不存在处理器芯片中断供或无法采购的问题。其中，6英寸的外延生长设备并不缺少，因为在处理器芯片发展下，6英寸并非行业内最先进的晶圆尺寸。同时激光芯片在加工维度上并没有处理器芯片复杂，不需要小尺度的加工工艺，因此无需高精光刻机等设备。
表13 长光华芯产能各环节良率
目前公司在外延和晶圆处理工艺方面良率可达到99%，和台积电、中芯国际等头部代工厂水平相当。目前激光芯片良率最薄弱的环节是芯片解理镀膜、腔面钝化的环节，目前只有40%左右，导致整体激光芯片生产整体良率维持在40-50%。根据公司交流，今年更新产线后，设备与环境有较大提升，良率有望提升10%左右，未来公司目标是整体提升20%。
3.4.2、价格和毛利：国产替代带来价格下降，技术带来成本下降
近年来公司的产品的单价经历了快速下降。主要原因是在过去没有国产芯片的情况下，外国企业对中国出口的价格偏高，属于偏高的超额利润。在长光华芯等国产芯片上市后，外企主动进行降价，长光华芯为了保持产品竞争力、提升市占率，选择跟随外企进行降价。
表14 长光华芯各类产品价格近年来呈下降趋势
由于半导体芯片行业仍然属于半导体制造领域，因此产品性能的提升可能并不需要投入额外过多的制造成本，同时随着技术进步、良率、产能利用率的提升，折旧摊销等固定成本的下降也会比较明显。因此相对而言，单位性能对应的成本会越来越低。
表15 长光华芯单管和巴条产品在切换6英寸产线后成本变化
图47：长光华芯成本构成
图48：长光华芯主要产品毛利率，Yole
公司毛利呈逐年上升趋势，主要因为销售结构变化。对于半导体激光产品，其上游的芯片毛利最高，光纤耦合模块和直接激光器由于我国相对成熟、生产企业较多，因此毛利相对较低。由于2020年开始国外新冠疫情爆发使得国产替代进程加速、公司18W、25W、30W单管芯片先后通过认证，公司产品供不应求，因此公司优先向下游客户供给芯片，延伸的光纤耦合模块和直接激光器产品靠后排产，因此共公司销售的芯片占比提升，使得整体毛利提升。
图49：长光华芯单管产品收入构成
图50：长光华芯单管产品毛利
（五）产品销售
3.5.1、市占率：工业激光器市占率逐步提升，VCSEL存在先发优势
根据测算，目前半导体激光器最大的应用领域为工业领域，主要用作光纤激光器、固体激光器等设备的泵浦源。长光华芯在高功率半导体激光芯片领域的国内市场占有率第一，居于国内领先位置。通过测算，长光华芯的高功率半导体激光芯片在国内市场的占有率为13.41%，在全球市场的占有率为3.88%。可比公司如武汉锐晶，作为锐科激光的关联方，主要向锐科激光销售，2020 年向锐科激光的销售收入为3931万元，假设其全部为半导体激光芯片，在国内市场的占有率也仅为7.43%。
表16 全球高功率激光芯片市场规模测算，长光华芯财报，《2021年中国激光产业发展报告》
表17 中国高功率激光芯片市场规模测算，长光华芯财报，《2021年中国激光产业发展报告》
在VCSEL领域，对于消费电子，目前只有华为和荣耀使用3D传感的前置摄像头，目前长光华芯主要供应荣耀，另一家公司纵慧芯光主要供给华为。因此目前长光华芯在消费电子领域占据了大规模应用的优势。对于汽车激光雷达，目前长光华芯的产品正在进行下游的车规验证，明年有望完成20家左右的车企替代验证。
3.5.2、下游客户：公司产品得到认可，客户订单数量爆发
公司产品实力已得到下游多家知名客户认可，下游客户采购额不断增加，主要客户创鑫激光、锐科激光加大了采购。同时2020年，长光华芯的高功率巴条芯片产品通过德国著名半导体激光器生产商JenoptikAG的认证并开始批量出口。2020 年和2021H1，公司销售给JenoptikAG的高功率巴条系列产品收入分别为22.2万元和709.2万元，大幅增长。中美贸易摩擦升级使得VCSEL芯片供应量出现波动，下游厂商有意指定其集中采购商向长光华芯采购VCSEL 芯片。2020年末相关客户的集中采购商向公司采购VCSEL芯片设计及开发服务，为后续VCSEL芯片量产订单进行工艺准备，2021年部分高效率VCSEL订单落地并量产交付。
图51：公司历年前五大客户销售情况（单位：百万元）
未完待续……