研发服务全景调研与发展战略研究

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1、研发服务全景调研与发展战略研究一、 半导体行业面临的机遇与挑战（一）半导体行业面临的机遇1、半导体行业产业政策的有力支持半导体行业作为信息产业中的基础和核心部分，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，对国家安全有着举足轻重的战略意义。发展我国半导体相关产业，是我国成为世界制造强国的必由之路。近年来，国家各部门相继推出了一系列优惠政策，鼓励和支持半导体行业发展。2020年8月，新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策从财税、投融资、研发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等八方面，给予集成电路和软件产业40条支持政策。国家相关政策的陆续出台从战略、资金、专

2、利保护、税收优惠等多方面推动半导体行业健康、稳定和有序的发展。2021年3月，全国人民代表大会通过了中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要，提出瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，特别指出集成电路领域攻关具体包括了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、微机电系统（MEMS）等特色工艺突破，碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。2、半导体行业产品应用领域高度契合国家碳中和规划目标2030年左右二氧化碳排放比达到峰值，单位GDP二氧化碳排放比2005年下降60%-65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。20

3、20年9月，中国政府在第七十五届联合国大会上提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年3月5日，2021年工作报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构。实现碳中和目标以及发展新能源产业需要大量的功率器件及模组。在海上风电等新能源发电领域、输配电领域、储能领域、用电领域等，IGBT等功率器件都发挥着至关重要的作用。3、半导体行业各类新产业发展推动市场需求持续旺盛半导体行业虽然呈现周期性波动的特性，但整体增长趋势并未发生变化，每次技术变革

4、持续带动行业增长。以物联网为代表的新需求所带动的如云计算、人工智能、大数据等新应用的兴起，逐渐成为半导体行业新一代技术变革动力。同时，新能源驱动的智能汽车已经成为万物互联的关键节点，随着智能汽车复杂程度的提高，智能汽车网联化、智能化以及电动化程度进一步提升，新能源汽车行业对汽车半导体元件的需求势必会大幅增长，因此汽车板块对半导体产业而言属于推动其长期发展的新引擎。半导体下游应用领域的不断延展带动了市场需求的持续旺盛。4、全球半导体产业资源转移大趋势下的进口替代市场机遇半导体行业目前呈现专业分工深度细化、细分领域高度集中的特点。全球半导体行业正经历第巨变，产业资源正处于向中国大陆和东南亚等地区转

5、移的进程之中，产业转移是市场需求和资本驱动的综合结果。中国拥有全球最大且增速最快的半导体消费市场，巨大的下游市场配合积极的国家产业政策与活跃的社会资本，正在全方位、多角度地支持国内半导体行业发展。随着半导体产业链相关技术的不断突破，加之我国在物联网、人工智能、新能源汽车等下游市场走在世界前列，有望在更多细分市场实现进口替代。（二）半导体行业面临的挑战1、半导体行业与具备顶尖技术水平的国际龙头企业仍有一定差距中国大陆半导体企业在顶尖技术积累方面与业界龙头企业存在一定差距。尽管中国政府和企业愈发重视对半导体产业的研发投入，但由于技术发展水平、人才培养等方面的滞后性，以及企业资金实力不足等诸多原因，

6、中国大陆半导体产业的研发力量薄弱、自主创新能力不足的状况依然存在。在半导体行业面临全球范围内充分竞争的背景下，中国大陆企业在与业界龙头企业竞争的过程中仍会在未来一段时间内处于相对弱势的地位。2、半导体行业资金投入巨大半导体制造行业，尤其是晶圆代工行业，从前期产线建设，设备投入到工艺研发，都需要大量的资金投入，大多数企业的资金实力无法满足动辄数十亿甚至上百亿美元的生产线投入。产线建成以后，企业还需要维持较高的研发投入来丰富产品类型以应对下游客户多样化的需求，并为优质人才提供有竞争力的薪酬，这对行业内企业的资金实力和资源调配能力形成了一定的挑战。3、半导体行业高端专业技术人才不足晶圆代工行业属于技

7、术和人才密集型行业。相对于发展成熟的美国、日本、欧洲和中国台湾等，中国大陆因产业发展起步晚，导致经验丰富的半导体行业高端人才稀缺。尽管近年来国家对高端专业人才的培养力度逐步加大，但人才匮乏的情况依然存在，已成为当前制约行业发展的主要因素。4、半导体行业受经济周期和地缘的影响较大半导体行业的发展与宏观经济走势密切相关。当前，我国经济由高速增长向中高速增长转换，经济的结构性调整特征十分明显。宏观经济的增长放缓将会导致下游行业需求减少，从而导致半导体企业收入的波动。此外，近几年地缘危机不断扰动全球经济，西方政府不断试图通过贸易保护以及技术封锁等渠道打压我国半导体产业的进一步发展。二、 功率器件行业发

8、展情况（一）功率器件行业的新技术发展情况与趋势1、模块化功率器件行业集成化的技术发展趋势随着功率器件应用场景不断拓展，下游产品对其电能转换效率、稳定性、高压大功率需求及复杂度提出了更高要求。功率器件的组装模块化和集成化能有效满足要求，有助于优化客户使用体验并保障产品配套性和稳定性，功率器件的组装模块化和集成化将成为行业技术发展的主流趋势。同时，随着工艺技术的不断升级，更高性能、更小体积的功率器件为模块化和集成化创造了技术条件。2、第三代半导体材料有望实现突破当前功率器件产业正在发生深刻的变革，其中新材料成为产业新的发展重心。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等材料因其宽禁带、高饱和漂移速度、

9、高临界击穿电场等优异的性能成为新型的半导体材料，属于新兴领域，具有极强的应用战略性和前瞻性。目前美欧、日韩及中国台湾等地区已经实现SiC、GaN等新材料功率器件的量产。部分境内企业通过多年的技术和资本积累，依托国家产业政策的重点扶持，也已开始布局新型半导体材料领域。由于新型半导体材料属于新兴领域，国内厂商与国际巨头企业的技术差距不断缩小，因此有望抓住机遇、实现突破并抢占未来市场。（二）功率器件行业的新产业发展情况1、功率器件行业新能源汽车与充电桩发展情况新能源汽车普遍采用高压电路，需要频繁进行电压变化，对电压转换电路需求大幅提升。IGBT、MOSFET等功率器件用于主驱动系统的逆变器、变压器、

10、换流器等，其需求相应增大。除了动力系统，功率器件在新能源汽车上应用还涵盖了安全配置、电动门窗及后视镜、人车交互系统、仪表盘、车灯、娱乐系统及底盘系统等。汽车电子随着新能源汽车的发展呈越来越热的趋势，汽车内部电子系统数量的需求不断攀升，越来越多汽车制造商都在逐步加大电动汽车技术的研发投入。新能源汽车充电桩为功率器件另一大增量，根据中国汽车充电基础设施促进联盟的统计，2016年至2021年，我国公共充电桩和专用充电桩的保有量由588万个增长至11470万个，呈爆发式增长，带动了核心零部件IGBT、MOSFET等功率器件的市场需求。2、功率器件行业工业和智能电网发展情况工业领域是功率器件另一大需求市

11、场。工业领域中，数控机床、牵引机等电机对功率器件需求较大，主要使用的功率器件是IGBT。随着工业40不断推进，工业的生产制造、仓储、物流等流程改造对电机需求不断扩大，工业功率器件需求增加。太阳能、风能等新能源发电过程中产生的电能，需要经过IGBT、MOSFET等功率器件的变换，之后才能入网传输。功率器件作为智能电网的核心部件，可以增强电网的灵活性与可靠性，使得智能电网实现电力高效节能的传输。未来新能源市场的快速发展和智能电网建设的推进将催生出对功率器件需求的稳步增长。三、 半导体行业概况半导体（Semiconductor）是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料。半导体的特殊之处在于其

12、导电性可控性强，可以在外界环境如电压、光照、温度等变化下呈现导通、阻断的电路特性从而实现特定的功能，这一特点使得半导体成为科技和经济发展中不可或缺的角色。（一）全球半导体行业发展概况近年来，随着人工智能、智能网联汽车、5G、云计算、物联网等新兴市场的不断发展，全球半导体行业市场规模整体呈现增长趋势。根据世界半导体贸易统计协会（WSTS）统计，全球半导体行业销售额由2013年的3，056亿美元增长至2021年的5，559亿美元，年均复合增长率为78%。（二）中国半导体行业发展概况近年来，凭借巨大的市场需求、丰富的人口红利、稳定的经济增长及有利的产业政策环境等众多优势条件，中国半导体产业实现了快速

13、发展，根据中国半导体行业协会统计，中国半导体产业销售额由2013年的4，044亿元增长至2021年的12，423亿元，年均复合增长率达151%。四、 硅片：供需持续紧张，加速硅片是半导体上游产业链中最重要的基底材料之一。硅片是以高纯结晶硅为材料所制成的圆片，一般可作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶硅的分子结构较为稳定，导电性极低。此外，硅大量存在于沙子、岩石、矿物中，更容易获取。因此，硅具有稳定性高、易获取、产量大等特点，广泛应用于IC和光伏领域。（一）半导体硅片纯度极高，大尺寸为大势所趋硅片可以根据晶胞排列是否有序、尺寸、加工工序和掺杂程度的不同等方式进行分类。根据晶胞排列

14、方式的不同，硅片可分为单晶硅和多晶硅。硅片是硅单质材料的片状结构，有单晶和多晶之分。单晶是具有固定晶向的结晶体材料，一般用作集成电路的衬底材料和制作太阳能电池片。多晶是没有固定晶向的晶体材料，一般用于光伏发电，或者用于拉制单晶硅的原材料。单晶硅用作半导体材料有极高的纯度要求，IC级别的纯度要求达9N以上（999999999%），区熔单晶硅片纯度要求在11N（99999999999%）以上。根据尺寸大小的不同，硅片可分为50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）及300mm（12英寸）。英寸为硅片的直径，目前8英寸和12英寸硅片为市场

15、最主流的产品。8英寸硅片主要应用在90nm-025m制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在90nm以下的制程中，主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。大尺寸为硅片主流趋势。硅片越大，单个产出的芯片数量越多，制造成本越低，因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。1980年4英寸占主流，1990年发展为6英寸，2000年开始8英寸被广泛应用。根据SEMI数据，2008年以前，全球大尺寸硅片以8英寸为主，2008年后，12英寸硅片市场份额逐步提升，赶超8英寸硅片。2020年，12英寸硅片市场份额已提升至681%，为目前半导体硅片市场最主流

16、的产品。后续18英寸硅片将成为市场下一阶段的目标，但设备研发难度大，生产成本较高，且下游需求量不足，18英寸硅片尚未成熟。根据加工工序的不同，硅片可分为抛光片、外延片、SOI硅片等高端硅片。其中抛光片应用范围最为广泛，是抛光环节的终产物。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片，切出后对其进行抛光镜面加工，去除部分损伤层后得到的表面光洁平整的硅片。抛光片可单独使用于电动汽车功率器件和储存芯片中，也可用作其他硅片的衬底，成为其他硅片加工的基础。外延片是一种将抛光片在外延炉中加热后，通过气相沉淀的方式使其表面外延生长符合特定要求的多晶硅的硅片。该技术可有效减少硅片中的单晶缺陷，使硅片具有更

17、低的缺陷密度和氧含量，从而提升终端产品的可靠性，常用于制造CMOS芯片。根据掺杂程度的不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的元素掺杂浓度高，电阻率低，一般应用于功率器件。轻掺硅片掺杂浓度低，技术难度和产品质量要求更高，一般用于集成电路领域。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，目前全球对轻掺硅片需求更大。（二）受益晶圆厂积极扩产，硅片市场快速增长含硅量提升驱动行业快速增长。伴随5G、物联网、新能源汽车、人工智能等新兴领域的高速成长，汽车电子行业成为半导体硅片领域新的需求增长点。据ICInsights数据，2021年全球汽车行业的芯片出货量同比增长了30%，达524亿颗。但全球汽车

18、缺芯情况在2020年短暂缓解后，于2022年再度加剧，带动下游硅片市场需求量上升。据SEMI数据显示，2021年全球半导体硅片市场规模为126亿美元，同比增长125%。五、 MEMS行业发展概况MEMS是指用微电子加工的方法精密制造的机械装置，其实质是将机械系统微型化。根据Yole统计，2020年全球MEMS行业市场规模为120亿美元，预计2026年市场规模将达到183亿美元，2020-2026年均复合增长率为73%，呈现逐年稳步上升的态势。MEMS产品主要可以分为MEMS传感器和MEMS执行器。其中传感器是用于探测和检测物理、化学、生物等现象和信号的器件，而执行器是用于实现机械运动、力和扭矩

19、等行为的器件。MEMS产品目前以MEMS传感器为主，MEMS执行器中，射频器件市场规模最大。因此，MEMS的大规模应用主要集中在传感器和射频器件。（一）MEMS传感器行业发展概况传感器是物体实现感知功能的主力，通常由传感器模块、微控制器模块、无线通信模块以及电源管理模块四个部分构成。传感器感知状态数据，微控制器存储和处理数据，无线通信模块接收微控制器模块处理的数据之后再通过网络传输到远端的数据采集平台。MEMS技术是将微米级的敏感组件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上，再利用硅基微纳加工工艺进行批量制造，从而形成了MEMS传感器，广泛应用于汽车电子、消费电子、工业、医疗、航空航天、通信

20、等领域。根据Yole统计，2020年全球MEMS传感器市场规模为90亿美元，预计2026年市场规模将达到128亿美元，2020-2026年均复合增长率为61%。消费电子、汽车电子和工业控制是应用MEMS最多的三个下游板块，也是近年最大的增长点。（二）MEMS射频器件行业发展概况MEMS射频器件（RFMEMS）是MEMS技术的重要应用领域之一。MEMS射频器件用于射频和微波频率电路中的信号处理，是一项将能对现有雷达和通讯中射频结构产生重大影响的技术。随着信息时代的来临，在无线通信领域，特别是在移动通信和卫星通信领域，正迫切需要一些低功耗、超小型化且能与信号处理电路集成的新型器件，并希望能覆盖包括

21、微波、毫米波和亚毫米波在内的宽频波段。采用MEMS技术制造的无源器件能够直接和有源电路集成在同一芯片内，实现射频系统的片内高集成，消除由片外分立元件带来的寄生损耗，真正做到系统的高内聚、低耦合，能显著提高系统的性能。MEMS技术在射频领域的应用可分为可动的和固定的两类。可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容，固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、耦合器和滤波器。其中，滤波器是射频前端的关键核心器件之一，约占整个射频前端市场超过60%的份额。根据Yole统计，2020年MEMS射频器件的市场规模为21亿美元，预计2026年市场规模将达到40亿美元。六、 半导体材料为芯片之基，覆盖工艺

22、全流程半导体材料包括晶圆制造材料和封装材料。其中晶圆制造材料包括硅片、掩模版、电子气体、光刻胶、CMP抛光材料、湿电子化学品、靶材等，封装材料包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘结材料和其他封装材料。具体来说，在芯片制造过程中，硅晶圆环节会用到硅片；清洗环节会用到高纯特气和高纯试剂；沉积环节会用到靶材；涂胶环节会用到光刻胶；曝光环节会用到掩模板；显影、刻蚀、去胶环节均会用到高纯试剂，刻蚀环节还会用到高纯特气；薄膜生长环节会用到前驱体和靶材；研磨抛光环节会用到抛光液和抛光垫。在芯片封装过程中，贴片环节会用到封装基板和引线框架；引线键合环节会用到键合丝；模塑环节会用到硅微粉和

23、塑封料；电镀环节会用到锡球。七、 半导体材料景气持续，市场空间广阔半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。无论从科技或经济发展的角度来看，半导体都至关重要。2010年以来，全球半导体行业从PC时代进入智能手机时代，成为全球创新最为活跃的领域，广泛应用于计算机、消费类电子、网络通信和汽车电子等核心领域。半导体产业主要由集成电路、光电子、分立器件和传感器组成，据WSTS世界半导体贸易统计组织预测，到2022年全球集成电路占比8422%，光电子器件、分立器件、传感器占比分别为741%、510%和326%。半导体工艺复杂，技术壁垒极高。芯片生产大体可分为硅片制造、芯片制造和封装测试三个流程

24、。其中硅片制造包括提纯、拉单晶、磨外圆、切片、倒角、磨削、CMP、外延生长等工艺，芯片制造包括清洗、沉积、氧化、光刻、刻蚀、掺杂、CMP、金属化等工艺，封装测试包括减薄、切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋成型、终测等工艺。整体而言，硅片制造和芯片制造两个环节技术壁垒极高。目前多晶硅厂商多采用三氯氢硅改良西门子法进行多晶硅生产。具体工艺是将氯化氢和工业硅粉在沸腾炉内合成三氯氢硅，通过精馏进一步提纯高纯三氯氢硅，后在1100左右用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上，进而得到电子级多晶硅。目前8寸和12寸硅片大多通过直拉法制备，部分6寸和8寸硅片则通过区熔法制得。直拉法是将高纯多晶硅

25、放入石英坩埚内，通过外围的石墨加热器加热至1400，随后坩埚带着多晶硅融化物旋转，将一颗籽晶浸入其中后，由控制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅融化物中向上拉出，并在拉出后和冷却后生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。区熔法利用高频线圈在多晶硅棒靠近籽晶一端形成熔化区，移动硅棒或线圈使熔化区超晶体生长方向不断移动，向下拉出得到单晶硅棒。单晶硅棒研磨成相同直径，然后根据客户要求的电阻率，多采用线切割将晶棒切成约1mm厚的晶圆薄片。八、 先进制程持续升级，半导体材料同步提升进入21世纪以来，5G、人工智能、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，台积电已于2020年开启了5nm工艺的量产，并于2021年年底实现3nm制程的试产，预计2022年开启量产。此外台积电表示已于2021年攻克2nm制程的技术节点的工艺技术难题，并预计于2023年开始风险试产，2024年逐步实现量产。随着芯片工艺升级，晶圆厂商对半导体材料要求越来越高。