半导体产业链全梳理，哪些环节被“卡脖子”？

半导体产业链整体可被分为上、中、下游三个板块。

上游为半导体的支撑产业，由半导体材料和半导体设备等构成。

中游为半导体制造产业链，包含IC的设计、制造和封测三个环节，其生产的产品主要包括集成电路、分立器件、光电子器件和传感器。

下游是半导体的具体应用领域，涉及消费电子、移动通信、新能源、人工智能和航空航天等领域。

从全球区域分布来看，欧美在设计、设备绝对主导；美国在EDA&IP核一家独大；韩国主导存储IC设计；日本在DAO、设备优势显著；中国在封测代工环节占比最高。

近年来，国内部分头部公司技术优势突出，推动国产替代节奏加速，半导体产业链国产化有较大空间。

一、半导体上游支撑产业链

1、半导体设备

设备是奠定半导体产业发展的基石。半导体专用设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备，属于半导体行业产业链的关键支撑环节，也是上游环节空间最广、战略价值最重要的部分。

比如我们熟知的光刻机就是其中一种核心的半导体设备，主要用于光刻环节。半导体设备主要分为氧化炉、涂胶显影设备、光刻机、刻蚀机、离子注入机、清洗设备、质量检测设备、电学检测设备、CMP设备、CVD设备、PVD设备等。

从细分产品来看，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备为半导体设备主要核心设备，分别占比24%、20%、20%。其次为测试设备和封装设备，分别占比9%、6%。

半导体专用设备是半导体产业的技术先导者，芯片设计、晶圆制造和封装测试等需在设备技术允许的范围内设计和制造，设备的技术进步又反过来推动半导体产业的发展。

图：半导体设备在半导体产业链的位置

2、半导体材料

半导体材料处于半导体产业链的上游，是半导体产业链的物质基础，其材料性能的好坏影响到最终产品性能的好坏。

半导体材料主要应用于晶圆制造与芯片封装环节。从晶圆裸片到芯片成品，中间需要经过氧化、溅镀、光刻、刻蚀、离子注入、以及封装等上百道特殊的工艺步骤。而按照制造的工艺流程，半导体材料主要可分为晶圆制造材料和芯片封装材料。

随着中国半导体产业的发展，中国的半导体材料也在逐渐发生变化，已经从第一代半导体材料过渡到第三代半导体材料。

3、EDA，IP

半导体上游支撑产业链还包括EDA，IP。

EDA简单来说就是IC设计生产的工业软件。其中制造类 EDA 工具应用在工艺平台开发阶段和晶圆生产阶段。设计类 EDA 工具应用在集成电路设计阶段。

IP核是在集成电路的可重用设计方法学中，指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模组。通俗来说IP核就是指已经设计好的并经过实际验证的具有特定功能的性能优化的一些电路功能模块。

二、半导体中游制造产业链

1、三个基本概念：半导体，集成电路，芯片

半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料，最常见的是元素半导体，如硅等；后来随着技术又发展出化合物半导体材料。

集成电路（integrated circuit）则是一种微型电子器件或部件。是采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管，电阻等元件及布线互连一起，然后封装在管科内，执行特定功能的电路或系统。

芯片是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。

广义芯片包括了集成电路、传感器、分立器件、光电器件产品,狭义芯片单指集成电路。三者关系如下图：半导体>集成电路≈芯片

集成电路（IC）

半导体产品主要可分为集成电路（IC）, 光电器件（O），分立器件（D），传感器（S）四类。其中，集成电路是采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。作为半导体产业中最主要产品之一，集成电路是由半导体材料所制成电路的大型集合。

集成电路作为半导体产业的核心，市场份额达83%，由于其技术复杂性，产业结构高度专业化。随着产业规模的迅速扩张，产业竞争加剧，分工模式进一步细化。目前市场产业链为IC设计、IC制造和IC封装测试。在核心环节中，IC设计处于产业链上游，IC制造为中游环节，IC封装为下游环节。

芯片

芯片是由不同种类型的集成电路或者单一类型集成电路形成的产品。芯片的物理形态是由晶圆(wafer)分割成一个小块晶片晶圆体（die），封装后成为一个芯片，这个芯片成为集成电路的载体，强调电路的集成、生产和封装。深层次可以理解芯片为微观化的数据信息处理载体，它集中了许多微观层面的、承载着数据信息的微小单元，以完成数据信息的处理。通常将四类集成电路：微处理器，存储器，逻辑器件，模拟器件，统称为芯片。

芯片属于半导体行业。在硅片或者其他半导体材料上，我们都可以看到类似黑色的块状元件，黑的里面就是芯片，黑的就是树脂等塑封材料，一般起到保护电路和导热的作用。

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，其中硅片制造和芯片制造两个环节具有较高技术壁垒：硅片制造即将石英砂原料进行冶炼、提纯、拉单晶、切磨抛等工艺加工制得电子级硅片；芯片制造可分为前道和后道工艺，随着制程发展目前工序数最多已经超过1300道，其中前道工艺指在晶圆上形成器件的工艺过程，也称晶圆制造，后道工艺指将晶圆上的器件分离，封装的工艺过程。

2、中游的半导体制造产业链

半导体制造产业链是半导体产业链的最核心环节。

因为集成电路是最主要的半导体产品，而集成电路基本是按照“IC设计-IC制造-IC封测”来制造的，所以中游的半导体制造产业链一般也按照此种形式划分：

（1）半导体制造产业链的制造流程

IC设计通过对集成电路的系统、逻辑、电路和性能的研究设计，转化为物理设计版图。

IC制造为进行晶圆生产，利用设计版图制作光掩膜版，并以多次光刻的方法将电路图形呈现于晶圆上，最终在晶圆表面/内部形成立体电路。

IC制造环节具体分为晶圆制造和晶圆加工两部分。

前者是指运用二氧化硅原料逐步制得单晶硅晶圆的过程主要包含硅的纯化－＞多晶硅制造－＞拉晶－＞切割研磨等，对应的设备分别是熔炼炉CVD设备单晶炉和切片机等；晶圆加工则是指在制备晶圆材料上构建完整的集成电路芯片的过程主要包含镀膜光刻刻蚀离子注入等几大工艺 。

IC封测是IC封装和IC测试的统称。IC封装封装主要将加工完成的晶圆进行切割、封塑与包装，以保护管芯并形成芯片产品。测试则主要为对芯片的可靠性、稳定性等性能进行检测。

（2）半导体制造产业链的运作模式

根据有无晶圆加工线，可以将半导体企业的经营模式主要分为IDM、Fabless以及Foundry/OSAT三种形式。其中，IDM模式即垂直整合制造模式，集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身；Fabless模式即无晶圆加工线设计模式，只负责芯片的电路设计与销售；将生产、测试、封装等环节外包；Foundry/OSAT即代工模式，只负责制造、封装或测试，不负责芯片设计，可以同时为多家设计公司提供代工服务。其中头部IDM的代表企业如英特尔、三星、海力士、美光、德州仪器，foundry的代表企业如台积电、联电、格罗方德、中芯国际、华虹半导体等。OSAT指专门从事半导体封装和测试的企业。

3、半导体的主要产品

半导体产品（Semiconductor Products）：主要分为集成电路、分立器件、光电子器件及传感器四类。

（1）集成电路

集成电路是最主要的半导体产品，在半导体所有产品中占比超80%。按照使用功能的不同，集成电路产品又可以划分为模拟集成电路，数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

数字集成电路主要用来产生、放大和处理各种数字信号。主要产品包含逻辑芯片，微处理器等产品。

模拟集成电路则主要用来产生、放大和处理各种模拟信号，产品有信号链和电源管理等产品。

（2）分立器件

分立器件是指未封装成为集成电路，单独以二极管、三极管、电阻、电容等形式存在的独立元器件。产品泛指半导体晶体二极管、半导体三极管、功率晶体管以及其他半导体分立器件。

（3）光电子器件

光电子器件利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电器件主要有利用半导体光敏特性工作的光电导器件、利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

（4）传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息并能将感受到的信息，按一定规律转换成可用信号的器件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。

三、半导体下游应用产业链

半导体的应用领域主要包括手机电脑等消费电子；机器人，汽车电子等工业领域；高性能计算、并行计算、存储等计算领域；手机、基站、卫星、线缆等通信领域。

集成电路在消费电子、高端制造、网络通讯、家用电器、物联网等诸多领域得到广泛应用，已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一。而近年来，物联网、可穿戴设备、云计算、大数据、新能源、医疗电子、VR/AR、安防电子等新兴应用领域成为国内半导体分立器件产业的持续增长点。

美国在全球集成电路产业中占据主导地位，出口管制前，我国对其依赖度较高。据Gartner数据统计，2021年世界前十大半导体厂商的营业收入占全球半导体市场的55.9%；其中6家为美国公司，市场份额合计为30.9%。在美国对出口我国的半导体产品进行贸易限制前，我国集成电路产业高度依赖美国进口。2019年中国进口集成电路产品总金额为3055.5亿美元，占全国进口产品总额的14.7%；其中，从美国进口的集成电路产品金额占我国集成电路进口总额的48.8%。

在集成电路设备领域，全球前五的厂商中三家来自美国：应用材料、泛林科技和科天半导体，均具备全环节设备供应能力，包括沉积、刻蚀、离子注入、退火、抛光、检测设备等。

在集成电路材料领域，整体被日本垄断，但美国的陶氏化学作为材料巨头,产品涉及光刻胶、CMP 研磨液等多类电子化学品。

目前半导体领域国产替代程度较低，未来发展空间较大。2020年我国IC 自给率仅15.9%，半导体行业存在巨大国产替代空间。据美国半导体分析机构 IC Insights在2021年1月发布的数据中显示，2020年中国国产IC占其1434 亿美元IC市场的15.9%，而10年前的数据为10.2%。国务院2015年印发的《中国制造 2025》中提出,到2025年70%的核心基础零部件、关键基础材料要实现自主保障。目前我国半导体自给率较低，具有巨大的国产替代空间。

我国在集成电路设计、材料、设备三个核心环节均存在“卡脖子”问题。针对芯片设计EDA工具环节，我国仅在局部领域实现突破，距离形成完整可用的全流程工具链还需长期技术积累；材料领域的国产替代大多集中在低中端环节，高端工艺细分领域替代率较低；设备制造领域虽在不同环节均有企业进行技术 开发和产品研制，但在12英寸大硅片制造中，距离具备实现“国产替代”的 水平仍存在距离。

随着中美两国竞争愈发激烈，中国的芯片行业面临着持续被制裁的可能，短期困难重重，但是长远看，这也是中国的芯片行业能够快速成长的根本原因。另外，芯片广泛应用于智能手机、机器人、可穿戴设备、新能源汽车等领域，随着万物互联时代的到来，芯片的应用场景持续扩展，持续增长的需求将继续促进半导体行业快速发展。