一文贯通半导体芯片全产业链（上）

半导体芯片产业链是个高度复杂且分工精细化的产业体系，按照上中下游的产业逻辑可划分为：

上游是半导体生产材料、生产设备及设计工具等支撑性领域。

中游是最为核心的芯片制造环节，包括芯片设计、晶圆制造和封装测试三大工序。

下游则是消费电子、计算机、汽车等芯片等终端应用方。

半导体芯片产业链示意图

为了大家更透彻地理解产业链，这次讲解产业链我们不按从上游切入的惯例，而是从中游切入，先拆解芯片制造最核心的三个环节(芯片设计、晶圆制造、封装测试)，再一一解析每个环节背后的上游支撑要素。

【中游环节1】芯片设计：给芯片“画图纸”

芯片设计，又被称为IC设计，这个环节就像是盖房子前的设计规划，设计好芯片的“施工图纸”。

目前，芯片设计主流采用“自顶向下”的设计思路(Top-Down)，需要经过规格设计、架构设计、逻辑设计、物理设计四个关键步骤，但实际操作过程非常复杂，设计周期通常需要1-3年甚至更长的时间，要知道一颗 CPU里集成的晶体管数量可达上百亿级别，有极高的设计难度。

→芯片设计对应的上游环节

支撑芯片设计的上游主要是 EDA 软件和 IP 服务。

EDA(电子设计自动化)软件是芯片设计的必备工具，从集成电路的逻辑设计、仿真验证到布局布线，均需依赖其完成，是设计效率的决定性因素，其全球市场被Synopsys、Cadence、Siemens EDA三大厂商主导，虽然国内也有一些EDA企业，但市场份额较小，EDA软件仍是半导体领域的“卡脖子”环节。

2024年全球EDA市场竞争格局

数据来源：TrendForce、中国银河证券研究所整理。

IP 服务则是预先设计好的、可复用的设计模块(如CPU核、高速接口IP等)，企业可直接通过采购并集成这些模块来实现某项功能，能有效避免重复劳动、缩短设计周期。

【中游环节2】晶圆制造：硅片上“建城市”

如果说设计是 “画图纸”，那晶圆制造就是按图施工“建城市”，将设计好的电路图案转移到晶圆上，通过一系列精密的工艺，打造出芯片的层层立体结构。

要在晶圆上造成芯片，首先需要制备晶圆，晶圆通常是指由高纯度单晶硅制成的圆形薄片，需要将石英砂经过高温提纯、拉单晶硅、切割、化学机械抛光(CMP)等多个环节的处理，最终形成晶圆。

接下来便进入芯片前道工艺阶段，这是芯片加工制造的核心环节，流程精密且复杂，大致步骤是：

1. 对晶圆表面进行氧化处理，形成一层二氧化硅保护膜；

2. 涂覆光刻胶，再通过光刻机将掩模上的电路图案精准投射到晶圆表面；

3. 经刻蚀工艺去除未被光刻胶保护的材料；

4. 通过离子注入技术掺入杂质，构建PN结；

5. 之后采用薄膜沉积技术形成金属互连层、绝缘层等薄膜层。

上述步骤需循环数十次甚至上百次，中间还需要多次清洗、抛光。整个晶圆制造步骤就像建房子一样，一层层建上去，最终搭建起复杂的立体架构。

已完成前道工艺的晶圆示意图

→晶圆制造对应的上游环节

支撑晶圆制造的上游可以分为晶圆制造材料和晶圆制造设备两大块，价值密度极高，部分关键核心技术是我国正在下大力气寻求突破的领域。

第一，晶圆制造材料方面，需用到硅片(晶圆制造的基底材料)、光刻胶(与光刻机配合，通过化学反应将掩膜版上的图形转移到硅片上的关键材料)、电子特种气体(氧化、还原、除杂等)、光掩膜(为光刻提供图案投射模板)等，其中 EUV光刻胶、高纯度电子级硅材料等关键材料技术门槛极高。

从市场结构看，硅片、电子特气和光掩膜占据了主要规模。

2024年半导体晶圆制造材料全球市场规模占比

资料来源：SEMI、中欣晶圆公开转让说明书、开源证券研究所整理。

第二，晶圆制造设备方面，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等是重要组成部分，市场规模占比大、技术难度高、价值高，尤其是EUV光刻机全球仅荷兰ASML公司能商用量产，全球先进芯片厂(如台积电)均需依赖其EUV设备。

2024年半导体晶圆制造设备全球市场规模占比

资料来源：拓荆科技，SEMI，方正证券研究所。

半导体芯片产业链的环节繁多、覆盖面广，受限于篇幅，更多半导体芯片产业链的内容，敬请关注“一文贯通半导体芯片全产业链”下篇！

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