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2023半导体产业链最全梳理,一文看懂全产业链结构应用!

发布时间:2023-07-26来源:驭势资本 0

  • 半导体设计
  • 半导体材料

  • 半导体制造设备

  • 半导体中游制造

  • 半导体下游各行业运用

  • 半导体相关产品龙头企业

  • 半导体行业可以宏观分为三个部分:上游材料设计 - 中游制造 -下游应用

上游材料设计

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中游制造

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下游应用

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半导体

1.半导体设计


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1.1.1 逻辑设计

逻辑设计的主要流程:1)、规格制定

2)、详细设计

3)、HDL编码

4)、仿真验证

5)、逻辑总和-Design Compiler

6)、STA

7)、形式验证

核心:

使用硬体描述语言(HDL)将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等,藉由程式码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改,直到它满足期望的功能为止。逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code,放入电子设计自动化工具(EDA tool),让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路,产生如下的电路图。之后,反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改,直到功能正确为止。

1.1.2 电路设计

合成完的程式码再放入另一套 EDA tool,进行电路布局与布线(Place And Route)。在经过不断的检测后,便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色,每种不同的颜色就代表着一张光罩。

1.1.3 EDA

EDA是电子设计自动化(Electronic DesignAutomation)的缩写,在20世纪90年代初从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言VHDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。

1.1.4 电子电路设计与仿真工具

①SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis):是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件,是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件,1998年被定为美国国家标准。③MATLAB产品族:它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块,包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。

1.1.5PCB设计软件

Protel是PROTEL(现为Altium)公司在20世纪80年代末推出的CAD工具,是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用,普及率最高,几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用,其最新版本为Altium Designer 10,现在普遍使用的是Protel99SE,它是个完整的全方位电路设计系统,包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计(包含印刷电路板自动布局布线),可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务体系结构),同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线,可实现高密度PCB的100%布通率。

1.1.6 IC设计软件

IC设计工具很多,其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件(熊猫2000);另外近来出名的Avanti公司,是原来在Cadence的几个华人工程师创立的,他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡,非常适用于深亚微米的IC设计。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。

①设计输入工具

这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言,许多设计输入工具都支持HDL(比如说multiSIM等)。另外像Active-HDL和其它的设计输入方法,包括原理和状态机输入方法,设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具Modelsim FPGA等。

②设计仿真工作

我们使用EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确,几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog用于Verilog仿真,Leapfrog用于VHDL仿真,Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim门级电路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VCS-verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog双仿真器:Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

③综合工具

综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势,它的Design Compile是作为一个综合的工业标准,它还有另外一个产品叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一个软件叫Ambit,据说比Synopsys的软件更有效,可以综合50万门的电路,速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购,为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大,各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件,比较有名的有:Synopsys的FPGA Express, Cadence的Synplity, Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

④布局和布线

在IC设计的布局布线工具中,Cadence软件是比较强的,它有很多产品,用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的,后来Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble-标准单元布线器;Gate Ensemble-门阵列布线器;Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

⑤物理验证工具

物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

⑥模拟电路仿真器

前面讲的仿真器主要是针对数字电路的,对于模拟电路的仿真工具,普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。

1.2.2 IP

在芯片设计中经常会提到IP(Intellectual Property),IP就是常说的知识产权。半导体产业将IP定义为用于ASIC、ASSP和PLD等当中,并且是预先设计好的电路模块。IP核模块有行为(Behavior)、结构(Structure)和物理(Physical)三级不同程度的设计,对应描述功能行为的不同分为三类,即软核(Soft IP Core)、完成结构描述的固核(Firm IP Core)和基于物理描述并经过工艺验证的硬核(Hard IP Core)。

软核

软核IP是指交付的为RTL代码以及对应的设计描述文档等,软核交付是一种最灵活的方式,方便设计人员对交付的IP进行二次开发设计与验证debug。软核不具有任何物理信息,因此客户可以用不同的工艺库进行综合应用在不同的工艺设计中。但是这种源码完全开放的方式也会将自己的全部设计暴露给别人,对于数字设计模块来说,很容易被别人复用抄袭。针对这一现象也有一种交付方式是将内部源码加密之后再做交付,这样可使选择性的开发部分原发给客户,而核心的源码设计会通过加密的方式交付,不影响使用。固核固核IP是指的交付的是带有平面规划信息的网表,一般是指在特定工艺下完成了综合网表的转化。这样就不需要交付源码信息,可以有效的保护设计的知识产权,这也是目前最流行的交付方式,当然交付的固核也是可以做加密交付。硬核硬核是指经过验证之后的设计版图,就是在特定工艺下经过布局布线等优化处理,最终的出pin位置也已固定。设计人员不能对其进行修改,避免造成内部时序无法收敛。硬核是一种灵活性最差的交付方式,但是这种交付方式也有一定的好处就是客户可以拿来就用,不需要重新对其做验证综合等前端处理工作。由供应商保证了设计的正确性。

2.半导体材料

半导体材料分为晶圆制造材料(晶圆制造:扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、化学机械抛光、金属化)和封装材料。


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2.1 晶圆制造材料

2.1.1硅片(37.6%)

作为百亿美元级别的行业,半导体材料的市场规模不算很大,但其内部材料种类繁多,单一产品市场规模小、技术要求高、子行业之间差异较大。其中硅片占比半导体材料市场销售额高达37.6%,是晶圆厂采购材料中最重要的环节。硅材料因其具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性、掺杂特性等优良性能,可以生长为大尺寸高纯度晶体,且储量丰富、价格低廉,故而成为全球应用最广泛、最重要的半导体基础材料,并发挥着重要的行业支撑作用。目前全球半导体市场中,90%以上的芯片和传感器都是基于硅材料制造而成,广泛应用于IC、LED、MEMS、分立器件等领域,其中IC领域应用占比和难度最大。硅片尺寸从早期的2寸、4寸(1980年代主流),发展为现在的6寸(1990年代主流)、8寸和12寸(目前的主流产品)。2020年之前,国内主要是以8寸晶圆厂为主,随着大基金的持续投入和地方政府的配套资金支持,12寸晶圆厂积极扩建。我国12寸硅片主要依赖进口国产化率10%-15%,8寸硅片也只有少数厂商可以供应,四寸六寸可以做到自给自足。6寸硅片主要用在功率半导体,射频和MEMS,其中以负极管,晶闸管功率器件为主。8寸和12寸硅片针对的主力产品不同,但部分需求也有交叉。8寸硅片主要应用在90nm-0.25μm制程中,其需求最主要的动力是汽车电子和物联网,产品方面有功率器件、模拟IC、低像素的CIS、指纹识别、显示驱动和智能卡等。8英寸晶圆产能中约47%来自于Foundry,其余产能需求主要来自于IDM。12寸硅片是目前最主流的硅片尺寸,主要应用在90nm以下,应用于逻辑芯片和存储器(DRAM、NAND)。其中存储器连续两年贡献了全球半导体市场规模的主要增量,而DRAM作为电子产品重要组件之一。根据台积电季报,全球芯片制造产能中,预计20nm及以下制程占比12%,32/28nm至90nm占比41%。随着制程技术的推进,7nm以下制程占比显著提升,对12寸硅片需求持续保持旺盛。18寸硅片(450mm)是大尺寸方向下一阶段的目标。早在2011年全球五大半导体厂商台积电、IBM、英特尔、三星和Global Foundries就共同成立了450mm联盟(G450C),表态要推进450mm的应用,全球范围内还有EEMI450,Metro450等推动18寸晶圆的计划。但由于18寸晶圆的设备研发难度大,产线投资额极高,设备和制造厂商的推动力度并不充足。目前从下游客户的情况来看,12寸片也基本可以满足制造工艺的需求,其主力尺寸的地位仍将延续。半导体硅片是技术、资金、人才密集型行业,行业壁垒高,呈现寡头垄断的局面。全球前五大半导体硅片巨头占据了市场约92%的份额,分别是日本信越(Shin-Etsu)、日本胜高(Sumco)、中国台湾环球晶圆(Global Wafer)、德国世创(Siltronic)和韩国SK Siltron。其中日本两家龙头供应商的市占率总和超过50%。12寸大硅片的主要参与者也是上述企业,但由于工艺难度大,集中度更高,五大巨头囊括了95%的市场份额。国产方面:立昂微主营6/8/12英寸硅片,客户包括华润微、中芯国际、华虹宏力、ONSEMI等;中环股份8英寸、12英寸硅片均已实现量产,产能分别为75万片/月、17万片/月;沪硅产业于2018年率先实现12英寸硅片国产化突破,已实现了28nm以上所有节点的产品认证以及64层3D NAND产品验证。

2.1.2 电子特气(12.3%)

电子气体是指用于半导体及相关电子产品生产的特种气体,被广泛应用于国防军事、航空航天、新型太阳能电池、电子产品等领域,是电子工业体系的核心关键原材料之一,市场准入条件高。其行业技术壁垒在于从生产到分离提纯以及运输供应阶段,一直受到欧美发达国家的技术封锁。电子特种气体行业集中度高,美电子特种气体行业集中度高,美国气体化工、美国普莱克斯、法国液化空气、日本大阳日酸株式会社和德国林德集团五家公司垄断全球特种气体91%的市场份额。国内企业主要集中在中低端市场。


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2.1.3 掩模板(12.5%)

在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位,以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结构,称为光刻掩模版。半导体集成电路制作过程通常需要经过多次光刻工艺,在半导体晶体表面的介质层上开凿各种掺杂窗口、电极接触孔或在导电层上刻蚀金属互连图形。光刻工艺需要一整套(几块多至十几块)相互间能精确套准的、具有特定几何图形的光复印掩蔽模版。

2.1.4 CMP抛光材料(化学机械抛光)(6.7%)

cmp主要耗材有抛光液、抛光垫、抛光头、研磨盘、调节器、清洁剂。


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抛光液

抛光液对抛光过程所产生的影响体现在物理作用与化学作用两个方面。在物理作用方面,抛光液中的磨料对工件表面材料进行机械去除,抛光液对抛光区域进行润滑以减小摩擦,并且能够吸收加工过程所产生的热量,使加工区域恒温。另外,流畅的抛光液流动能够有效带走抛光过程所产生的材料碎屑,防止划伤工件表面;在化学作用方面,常使用能够对被抛光材料进行微量化学反应的化学物质作为抛光液组分,对抛光工件表层材料进行软化和腐蚀,从而辅助机械材料去除过程。通常根据被加工材料以及所选用的抛光垫材质对抛光液成分进行配置。国内外企业有:卡博特微电子(美)、VERSUM(美)、Fujimi(日)、安集科技。

抛光垫

抛光垫的性能受其材料特性、表面组织、表面沟槽形状及工作温度等因素的影响。在这些影响因素中,抛光垫的表面沟槽形状及寸是抛光垫性能的关键参数之一,它直接影响到抛光区域内抛光液的分布和运动,并且影响抛光区域的温度分布。抛光垫也是一种耗材,必须适时进行更换,长时间不更换的抛光垫,被抛光去除的材料残余物易存留在其中会对工件表面造成划痕,同时抛光后的抛光垫如果不及时清洗,风干后粘结在抛光垫内的固体会对下一次抛光质量产生影响。国内外企业有:陶氏化学(美)、卡博特微电子(美)、Thomas West、FOJIBO、鼎龙股份(中)。

2.1.5 光刻胶

光刻胶也称为光致抗蚀剂,是一种光敏材料,受到光照后特性会发生改变,是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一,主要应用于电子工业和印刷工业领域。光刻胶有正胶和负胶之分:正胶经过曝光后,受到光照的部分变得容易溶解,经过显影后被溶解,只留下未受光照的部分形成图形;而负胶却恰恰相反,经过曝光后,受到光照的部分会变得不易溶解,经过显影后,留下光照部分形成图形。

光刻胶产品分为:半导体光刻胶(1.6%)、LCD光刻胶(2.7%)、PCB光刻胶(94.4%)和其他光刻胶。半导体光刻胶:i线光刻胶、g线光刻胶、krF光刻胶、ArF光刻胶LCD光刻胶:彩色滤光片用彩色光刻胶及黑色光刻胶、LCD/TP衬垫光刻胶、TFT-LCD中Array用光刻胶PCB光刻胶:干膜光刻胶、湿膜光刻胶、光成像阻焊油墨

光刻胶企业:

全球:TOK、JSR、杜邦、住友化学、东进半导体、富士胶片

中国:晶瑞股份、南大光电、上海新阳、上海芯刻微

2.1.6 湿电子化学品

湿电子化学品指为微电子、光电子湿法工艺(主要包括湿法刻蚀、清洗、显影、互联等)制程中使用的各种电子化工材料。

湿电子化学品分为通用化学品(又称超净高纯试剂)、功能性化学品(以光刻胶配套试剂为代表)。

通用化学品(又称超净高纯试剂)

一般要求化学试剂中控制颗粒的粒径在0.5μm以下,杂质含量低于ppm级,是化学试剂中对颗粒控制、杂质含量要求最高的试剂。

功能性化学品(以光刻胶配套试剂为代表)

指通过复配手段达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的配方类或复配类化学品。功能性化学品一般配合光刻胶用,包括显影液、漂洗液、剥离液等。光刻胶配套试剂(6.9%):负胶显影液、负胶漂洗液、负胶显影漂洗液、负胶剥离液、正胶显影液、正胶显影液(含活性剂)、正胶稀释剂、边胶清洗剂、负胶剥离液、正胶剥离液。

2.1.7其他


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2.1.8溅射靶材

靶材(靶胚、背板)

溅射靶材是用溅射法沉积薄膜的原材料,主要应用于面板显示、半导体和磁记录薄膜太阳能领域。其中,半导体生产对靶材的纯度有着更高的要求。

靶材就是高速荷能粒子轰击的目标材料,通过更换不同的靶材(如铝、铜、不锈钢、钛、镍靶等),即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)按形状分类:长靶、圆靶、方靶按化学成分分类:单质金属靶材(纯金属铝、钛、铜、钽等)、合金靶材(镍铬合金、镍钴合金等)、陶瓷化合物靶材(氧化物、硅化物、碳化物和硫化物)。

高纯溅射靶材产业链

上游原材料:

第一步:金属原材料 提纯 高纯金属

第二步:靶材制造,溅射靶材

第三步:镀膜

中游产品有:光电薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、磁电薄膜、光学薄膜镀膜工艺:物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)

物理气相沉积(PVD):在真空条件下,采用物理方法,将材料源--固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子 ,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有,真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜,及分子束外延等。发展到目前,物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。PVD又有真空蒸镀法(基板材质没有限制)、溅镀法(薄膜的性质、均匀度比蒸镀薄膜好)、离子电镀法(绕镀能力强、清洗过程简单)。化学气相沉积(CVD):化学气相沉积是一种化工技术,该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物,也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物,而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前,化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

半导体:

1)铜靶:用于导电层,高电阻很低,110nm 以下技术节中被大量用作布线材料,通常纯度要求为 6N。

2)钽靶:用于阻挡层,高纯钽靶主要用在 12 英寸晶圆片 90nm 以下的高端半导体芯片上,通常纯度要求为 4N。

3)铝靶:用于导电层,但因其响应速度方面的原因,而在 110nm 以下技术节点中很少应用,通常纯度要求为半导体领域 5N5,平板显示 5N,光伏4N5。

4)钛靶:用于阻挡层,高纯钛靶主要用在 8 英寸晶圆片 130 和 180nm 技术节点上,通常纯度要求为 5N。

5)镍铂合金靶:用于接触层,可与芯片表面的硅层生成一层薄膜,起到接触作用。

6)钴靶:用于接触层,可与芯片表面的硅层生成一层薄膜,起到接触作用。

7)钨钛合金靶:用于接触层,由于钨钛合金电子迁移率低等优点,可作为接触层材料用在芯片的门电路中,通常纯度要求为 5N。

8)钨靶:主要用于半导体芯片存储器领域。

平板显示:高纯度铝、铜、钼、掺锡氧化铟(ITO)

太阳能电池: 高纯度铝、铜、钼、铬等

信息存储:铬基、钴基合金等

工具改性:纯金属铬、铬铝合金等

电子器件:镍铬合金、铬硅合金等

其他领域:纯金属铬、钛、镍等

国内外企业

JX 日矿金属(日):芯片级靶材全球市占率第一,铜靶是特色

霍尼韦尔(美):全球最大 5N 级钛供应商,ECAE 技术特色

普莱克斯 (美):Applied Materials 授权,芯片级铝靶与

东曹抗衡东曹(日):获得 Applied Materials 授权,芯片级铝靶是特色住友化学、攀时、世泰科(德)、爱发科江丰电子 (中国):其靶材的下游应用行业,以半导体芯片为主,以平面显示和光伏为辅,其销售区域则以出口为主(2017 年营收的 70.5% 来自出口市场)。具体的靶材产品包括高纯钽靶、高纯钛靶、高纯铝靶以及钨钛靶等等。有研新材 (中国):只生产半导体芯片行业用高端溅射靶材,用溅射靶材整套研发制造体系的企业,其高纯铜、镍、钴以及金、银等贵金属材料提纯技术处于国际领先水平,并在去年成为了全球最大的晶圆代工厂台积电的第二家高纯钴溅射靶材合格供应商。

2.2 封装材料2.2.1 封装基板(32.5%)封装基板是Substrate(简称SUB),即印刷线路板中的术语。基板可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效,以实现多引脚化,缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、超高密度或多芯片模块化的目的。2.2.2 引线框架(16.8%)引线框架作为集成电路的芯片载体,是一种借助于键合材料(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,它起到了和外部导线连接的桥梁作用,绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架,是电子信息产业中重要的基础材料。

2.2.3 键合金丝(15.8%)2.2.4 陶瓷封装材料(12.4%)

2.2.5芯片胶粘合膜

2.2.6 环氧膜塑料

2.2.7缝合胶

2.2.8其他

半导体3.半导体制造设备

3.1 工艺流程

3.1.1 晶圆制造

工艺流程:多晶硅——拉晶——切割——研磨——抛光——清洗


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3.1.2 晶圆加工

3.1.3 薄膜沉积CVD设备(57%):化学式真空镀膜,气相反应沉积,形核长大,沉积时间,气象分压,易含杂质,应用材料全球占比约30%,连同泛林半导体的21%和TEL的19%。PVD设备(25%):物理式真空镀膜,蒸发凝固,形核长大,沉积时间 ,无杂质,应用材料则基本垄断了PVD市场,占85%的比重。ALD设备:原子层沉积是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法,是制备薄膜材料的重要方法之一。它的特点是自限制性,这也决定了原子层沉积技术具有厚度高度可控、优异的均匀性及良好的保形性等众多优点,尤其擅长高深宽比图形填充。原子层沉积技术被广泛应用在HKMG、Double Pattern、Dielectric、MEMS、Memory等多个领域。该技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。RTP设备:快速退火炉是利用卤素红外灯做为热源,通过极快的升温速率,将晶圆或者材料快速的加热到300℃-1200℃,从而消除晶圆或者材料内部的一些缺陷,改善产品性能。采用先进的微电脑控制系统,采用PID闭环控制温度,可以达到极高的控温精度和温度均匀性,并且可配置真空腔体,也可根据用户工艺需求配置多路气体。ECD: 在一定电解质溶液(镀液)中由阴极和阳极构成回路,通过发生氧化还原反,使溶液中的离子沉积到阴极或者阳极表面上而得到我们所需镀层的过程。镀层可以是薄膜也可以是涂层。MBE: 一种特殊的真空镀膜工艺。外延是一种制备单晶薄膜的新技术,它是在适当的衬底与合适的条件下,沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法。该技术的优点是:使用的衬底温度低,膜层生长速率慢,束流强度易于精确控制,膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜,以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子显微结构材料。企业:北方华创 产品线覆盖CVD、PVD和ALD三类沈阳拓荆 主攻CVD和ALD

3.1.4清除3.1.5刻蚀是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺。所谓刻蚀,实际上狭义理解就是光刻腐蚀,先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理,然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程,其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。随着微制造工艺的发展,广义上来讲,刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称,成为微加工制造的一种普适叫法。

刻蚀技术分为干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀:干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体,等离子体通过光刻胶中开出的窗口,与硅片发生物理或化学反应(或这两种反应),从而去掉曝露的表面材料。

3.1.6介质刻蚀:介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀,如二氧化硅。接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质,从而在ILD中刻蚀出窗口,而具有高深宽比(窗口的深与宽的比值)的窗口刻蚀具有一定的挑战性。代表企业:中微半导体

3.1.7 硅刻蚀:硅刻蚀(包括多晶硅)应用于需要去除硅的场合,如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容。代表企业:北方华创

3.1.8金属刻蚀:金属刻蚀主要是在金属层上去掉铝合金复合层,制作出互连线。代表企业:北方华创湿法刻蚀:湿法腐蚀中,液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学方式去除硅片表面的材料。湿法腐蚀一般只是用在尺寸较大的情况下(大于3微米)。湿法腐蚀仍然用来腐蚀硅片上某些层或用来去除干法刻蚀后的残留物。

3.1.9光刻 在硅片表面匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时"复制"到硅片上的过程

3.2.1 光刻机生产集成电路的简要步骤:1、利用模版去除晶圆表面的保护膜。2、将晶圆浸泡在腐化剂中,失去保护膜的部分被腐蚀掉后形成电路。3、用纯水洗净残留在晶圆表面的杂质。

其中曝光机就是利用紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备。分类:手动:指的是对准的调节方式,是通过手调旋钮改变它的X轴,Y轴和thita角度来完成对准,对准精度可想而知不高了。半自动:指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐。全自动:指的是从基板的上载下载,曝光时长和循环都是通过程序控制,自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要。

3.2.2 光刻工艺光刻机工作台 - 等离子气体去胶清洗 - 气象成底膜 - 旋转涂胶 - 软烘 - 对准与曝光 - 曝光后烘焙 - 显影 - 坚膜烘焙 - 显影检查

3.2.3 电学性质改变: 指掺杂半导体,形成源极与漏极的步骤

3.2.4 封测工艺背面减薄 - 切割 - 贴片 - 焊线 - 封装 - 测试设备


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封装工序 (Packaging):是指 生产加工后的晶圆进行 切割、焊线塑封,使电路与外部器件实现链接,并为半导体产品提供机械保护,免受物理、化学等外界环境影响产品的使用。测试(Test):利用专业设备,对产品进行功能和性能测试,测试过程分为 “中测”和“终测”2个主要过程。晶圆代工产制造完成的“晶圆”在出厂前需要经过一道电性测试,称为“晶圆可接受度测试(Wafer Acceptance Test,简称WAT)” —— WAT测试通过的“晶圆”被送去 “封测厂” —— “封测厂”首先对晶圆进行“中测(Chip Probe,简称CP) —— CP测试完成后进入“封装”环节 —— “封装”后再进行“终端测试(Final Test,FT) —— 通过 FT 测试的产品然后出货

3.3制程逻辑:3.3.1 前段制程(FEOL)· 沉积金属导电层以前,于半导体基质上形成独立元件(如三极管、电容、电阻、独立的CMOS)的前半段制程。FEOL涵盖了芯片有源部分的加工,即位于芯片底部的晶体管。晶体管作为电气开关,使用三个电极进行操作:栅极、源极和漏极。源极和漏极之间的导电通道中的电流可以被“开”和“关”,这一操作由栅极电压控制。

3.3.2 后段制程(BEOL)· 金属层沉积后,创建金属导线,连接元件,并构成绝缘各导线的介电层的后半段制程。BEOL是加工的最后阶段,指的是位于芯片顶部的互连。互连是复杂的布线方案,它分配时钟和其他信号,提供电源和地,并将电信号从一个晶体管传输到另一个晶体管。BEOL由不同的金属层、局部(Mx)、中间线、半全局线和全局线组成。总层数可以多达15层,而Mx层的典型数量在3~6层之间。这些层中的每层都包含(单向)金属线(组织在规则的轨道中)和介电材料。它们通过填充有金属的通孔结构垂直互连。

3.4 集成电路制造工艺:3.4.1 单片集成电路:

单片集成电路工艺是利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术, 在一-小块硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等元件,并且采用- -定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形,使元件按需要互连成完整电路,制成半导体单片集成电路。随着单片集成电路从小、中规模发展到大规模、超大规模集成电路,平面工艺技术也随之得到发展。例如,扩散掺杂改用离子注入掺杂工艺;紫外光常规光刻发展到一整套微细加工技术,如采用电子束曝光制版、等离子刻蚀、反应离子铣等;外延生长又采用超高真空分子束外延技术;采用化学汽相淀积工艺制造多晶硅、二氧化硅和表面钝化薄膜;互连细线除采用铝或金以外,还采用了化学汽相淀积重掺杂多晶硅薄膜和贵金属硅化物薄膜,以及多层互连结构等工艺。

3.4.2 薄膜集成电路:

薄膜集成电路是将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件以及它们之间的互连引线,全部用厚度在1微米以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜,并通过真空蒸发、溅射和电镀

3.4.3 厚膜集成电路:薄膜集成电路是通过在玻璃或陶瓷基底的表面上沉积导电材料薄膜来制造的。通过控制薄膜的宽度和厚度,并使用根据电阻率选择的不同材料,制造电阻器和导体。电容器是通过在两个导电薄膜之间夹一层绝缘氧化物薄膜制成的。


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3.5 集成电路封装工艺3.5.1 其中关键封装工艺细节:

鸥翼型封装:优化的引脚间距,使得运用该技术的封装比等效的DIP封装占用面积少30%~50%,厚度薄70%J-引脚封装:优化的引脚间距,使得运用该技术的封装比等效的DIP封装占用面积少30%~50%,厚度薄70%

BGA(球栅阵列):提供比此前封装技术更多的外部链接,引脚可超200个

CerDIP是用玻璃密封的陶瓷双列直插式封装:引脚中心距为2.54mm,引脚数从8~42个。在日本,此封装表示为DIP-G(G即玻璃密封的意思)Cerquad 表面贴装型封装:

用于封装DSP等的逻辑LSI电路

带有窗口的Cerquad用于封装EPROM电路。

散热性比塑料QFP好,在自然空冷条件下可容许1.5~2W的功率,但封装成本比塑料QFP高3~5倍。

引脚中心距有1.27mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm等多种规格,引脚数从32~368个


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半导体4.半导体中游制造产业链及运用场景

4.1 半导体企业分类

Fabless - 只负责设计,公司并没有自己的工厂(高通, AMD)

Foundry - 通过与Fabless合作,为其代理加工制造晶圆(台积电,中芯国际)

IDM - 芯片设计到晶圆制造再封测投入市场(德州仪器,三星)

OSAT - 为一些Foundry公司做IC产品封装和测试


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4.2 主要产品端4.2.1 传感器MEMS微电机系统:MEMS传感器就是将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,例如三维硅穿孔TSV等技术把器件固定在硅晶元(Wafer)上,根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式,最终切割组装而成的硅基传感器。具体应用领域细分:消费与移动领域,汽车工业领域,物理传感器,化学传感器,生物传感器。图像传感器:CMOS, CCD电荷耦合器件

4.2.2 立分器件

二极管(电子工业)- 三极管 - 晶匣管(工业) - 晶体管(BJT,mosfet,IGBT)- 化合物(SiC,GaN)

4.2.3 存储器(半导体存储器)易失性存储(断电以后失去存储信息):

RAM随机存储器

ROM只读存储器非易失性存储(断电后仍然可以存储信息):Flash闪存

其他

4.2.4 模拟/数模混合器件/analog/mixed signal ( 用于处理模拟信号,完成放大、滤波、解调、混频的功能等)数据转换芯片(AD/DA)

驱动器

电源管理(DC/DC):降压 - 生压 - 升降压 - 负压 - 多拓扑 - CPU/LNB/射频 - 恒压恒流


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4.2.5 逻辑电路Baseband:Baseband 基带。信源(信息源,也称发终端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的频带(频率带宽),称为基本频带,简称基带。可编程电路PLA:可编程逻辑阵列是一种可编程逻辑装置,它的与阵列(AND array)和或阵列(OR array)均为可编程,输出电路为不可组态.又叫做FPLA(field-programmable logic array) 。


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CPLD:CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件,是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆("在系统"编程)将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。

射频IC:RFIC(射频集成电路)是90年代中期以来随着IC工艺改进而出现的一种新型器件。射频,通常指包括高频、甚高频和超高频,其频率在300KHz-300GHz ,是无线通信领域最为活跃的频段。二十世纪后,无线通信技术得到了飞跃式的发展,射频器件快速的代替了使用分立半导体器件的混合电路,这些技术都是对设计者的挑战。RFIC的技术基础主要包括:1、工作频率更高、尺寸更小的新器件研究;2、专用高频、高速电路设计技术;3、专用测试技术;4、高频封装技术。本文将从IC技术的角度对该领域21世纪初出现的一些新动向进行简要的综述和分析。

微处理器(微控制单元):中央处理器的频率与规格适当缩减,并将内存、计数器、USB、A/D转换器、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合的控制。根据微处理器的应用领域,微处理器大致可以分为三类:通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。

一般而言,通用处理器追求高性能,它们用于运行通用软件,配备完备、复杂的操作系统;嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能,主要用于运行面向特定领域的专用程序,配备轻量级操作系统,主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电;微控制器价位相对较低,在微处理器市场上需求量最大,主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。

半导体5. 1 半导体下游各行业运用


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5.1.1 功率放大器PA和低噪声放大器LNA(第二大业务):LNA是低噪声放大器,主要用于接收电路设计中。因为接收电路中的信噪比通常是很低的,往往信号远小于噪声,通过放大器的时候,信号和噪声一起被放大的话非常不利于后续处理,这就要求放大器能够抑制噪声。

5.1.2 PA:PA是功率放大器,主要功能是功率放大,以满足系统要求,最重要的指标就是输出功率大小,其次线性如何等等,一般用在发射机的最后一级。

5.1.3 物联网通信

以太网:以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802.3系列标准相类似。

5.1.4 近距离无线传输(无线RF433/315M):

无线抄表系统、无线路灯控制系统、铁路通信、航模无线遥控、无线安防报警、家居电器控制、工业无线数据采集、无线数据传输等方面

5.1.5无线通信技术(NFC(Near Field Communication)通信技术):

与蓝牙技术功能类似,但传输速率和传输距离没有蓝牙快和远,同时功耗和成本都较低、保密性好,这些优点让它成为移动支付和消费类电子的首选项之一

5.1.6 Mesh/IEEE 802.11s协议:WLAN与移动Ad Hoc(点对点)网络的结合。与WLAN相比,各网络终端之间可以对等地进行直接通信,不再需要经过AP(基站)转发,且覆盖范围更大。与Ad Hoc(点对点)相比,Meth网络具有位置固定、电源充足的主干路由器应用场景,在移动性和功耗上可不用考虑太多。

5.2 汽车电子行业运用

自 1886 年戴姆勒首次将内燃机应用于汽车以来,汽车工业的创新一直围绕内燃机展开,消费者也以追求发动机马力等性能指标为目标。随着特斯拉在电动化技术与自动驾驶技术领域的颠覆性变革,汽车电动化与智能化渐成主机厂共识,消费者购车时的考量也逐步从传统燃油车的发动机马力性能指标,转向以智能车机、自动驾驶为代表的智能化体验视角。同时,当汽车行业供需两端的关注点逐步由性能转变至智能时,汽车创新的核心亦从“动力引擎”发动机转移到“计算引擎”半导体。


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汽车是半导体的重要应用领域,目前汽车半导体的用量占到半导体总量的15%以上,是仅次于通信、计算机、消费电子后的第四大领域。汽车半导体从车载收音机、电子喇叭开始,到防抱死系统,电动助力、胎压监测、导航等一直提升到现在的智能驾驶、车联网等等。随着汽车智能化水平的不断提升,半导体的应用也越来越广泛。汽车级半导体从性能角度看,要求高于工业级和消费级半导体。汽车半导体除了汽车行业通用的规范外,还有更严苛的车规级认证标准。比如故障率的要求是百万分之一,而消费级只要千分之一。从市场角度看,需求量高于军工级和航空航天级半导体。所以汽车半导体具有技术壁垒高与需求旺盛的特点。

5.2.1功率半导体:

根据 Infineon 和 Strategy Analytics 数据,传统燃油车半导体价值量为 417美元/辆,其中MCU价值量为96美元/辆,功率半导体价值量为 88 美元/辆,传感器价值量为54美元/ 辆。48V轻混半导体价值量为572美元。纯电动车半导体价值量为 834 美元/辆,其中MCU价值量为92美元/辆,功率半导体价值量为 459 美元/辆,传感器价值量为 58 美元/辆。因此,在从燃油车向纯电动车升级过程中,半导体价值量提升幅度明显,整车半导体价值量增长 100% ,功率半导体价值量提升幅度最大,增幅高达421.6%。根据智研咨询数据,2019年全球功率半导体产品结构中,功率IC占比54.3%,功率器件中,以MOSFET和IGBT为主,MOSFET占比16.4%,IGBT占比12.4%。MOSFET是金属氧化物半导体场效应晶体管,是一种广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管,更适用于高频场景;IGBT是绝缘栅双极晶体管,是同时具备 MOSFET的栅电极电压控制特性和 BJT的低导通电阻特性的全控型功率半导体器件,更适用于高压场景。

5.2.2 MCU新能源汽车运用

微控制器(简称MCU),广泛应用于车用仪表、车用防盗装置、充电器、胎压计、温湿度计、传感器等诸多汽车半导体领域。目前单车平均搭载数量超过20个,主要分为以下三类:- 8位MCU。主要应用于空调、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅、门控模块等较低阶的系统控制。- 16位MCU。主要应用于引擎、齿轮与离合器、电子式涡轮系统、动力传动系统、悬架系统、方向盘、扭力、电子刹车等底盘系统控制。- 32位MCU。主要应用于仪表板、车身、多媒体信息系统、引擎、智能实时性安全系统、动力系统以及X-by-wire系统等的控制。全球车载MCU市场占有率前七的企业均为国外厂商,分别为瑞萨科技、恩智浦、英飞凌、萨拉普斯、德州仪器、微芯科技、意法半导体,前八市占率达到98%,可以说垄断相当明显了。

5.3 半导体其他下游运用场景


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5.3.1 人工智能

人工智能 (AI - Artificial Intelligence),现在普遍认为有 3 个主要的组成部分:

芯片 (Chip)

算法 (Algorithm)

大数据(Big Data)

三者不是孤立的,相互之间互相依存。人工智能芯片 也是一个很泛泛的说法,它主要也包括3块:

运算芯片(ASIC)提供算法所需要的算力;

传感器芯片(Sensor) 负责扑捉外界的信息,比如汽车辅助驾驶(ADAS)系统里面的图像传感器(摄像头)、距离传感器;

存储器芯片(Memory)保存海量的网络数据(Big Data),比如 “云” (Cloud) 服务里面的大数据存储;

5.3.2通信装备

1. RS232:RS232是连接两个设备之间的通信标准,使用双绞线连接,可以传输数据、控制信号和语音信号,它的传输速率可达到115200bps,它的原理是通过发送双向的串行数据流实现信息的传输。2. 网线:网线是一种用来连接计算机网络设备的线缆,它可以传输数据和控制信号,它的传输速率可达到100Mbps,它的原理是通过传输以太网数据帧实现信息的传输。3. Ethernet:以太网是一种局域网协议,它可以传输数据、控制信号和语音信号,它的传输速率可达到1000Mbps,它的原理是通过传输以太网数据帧实现信息的传输。4. EtherCAT:EtherCAT是一种局域网技术,它可以传输数据、控制信号和语音信号,它的传输速率可达到1000Mbps,它的原理是通过传输以太网数据帧实现信息的传输,并且可以通过多种传输媒介(如网线、无线网络等)实现。5. Profibus:Profibus是一种工业总线技术,它可以传输数据、控制信号和语音信号,它的传输速率可达到12Mbps,它的原理是通过发送并行数据流实现信息的传输。6.LonWorks:LonnWorks 通讯方式的原理是基于一种叫做“非常低功耗局域网”(LON)的技术,它可以通过电缆,无线电,光纤等多种媒介来传输数据。LON网络可以支持多层次的网络结构,以实现远程监控和控制。LON网络的特点是低功耗,即使在复杂的网络结构中,也能够节省能源,并且可以实现多种设备之间的全双工通信。半导体6. 半导体相关龙头企业


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6.1 2023年上半年中国半导体龙头企业名单整理

6.1.1 中芯国际:公司最新股价54.31元/股,总市值为4304亿元;中芯国际是国内晶圆代工龙头,公司成功开发了0.35微米至FinFET多种技术节点,应用于不同工艺技术平台,具备逻辑电路、非易失性存储、图像传感器等多个技术平台的量产能力;截止2022年底,公司产能达到71.4万片/月(折合8英寸)。

6.1.2海光信息:公司最新股价90.99元/股,总市值为2115亿元;海光信息是国产CPU和DCU龙头,是国内极为稀缺的X86技术架构领航员,公司主要从事研产销应用于服务器、工作站等计算、存储设备中的高端处理器,有望最先受益于国产化计算力军备竞赛。

6.1.3 北方华创:公司最新股价297.03元/股,总市值为1573亿元;北方华创是国内半导体设备龙头,公司主要从事半导体装备、真空装备及精密电子元器件等业务,其中半导体设备覆盖刻蚀、薄膜沉积、氧化扩散、清洗设备等领域,有望持续受益设备国产替代+产品线延展。

6.1.4 韦尔股份:公司最新股价99.69元/股,总市值为1181亿元;韦尔股份是全球前三的图像传感器龙头,内生外延并举成就A股半导体设计第一龙头,公司主营业务为半导体分立器件和电源管理IC等半导体产品的研发设计。

6.1.5 中微公司:公司最新股价172.23元/股,总市值为1065亿元;中微公司是国内刻蚀设备和MOCVD设备的龙头,公司的主营业务是半导体设备及泛半导体设备的研产销,公司的主要产品有电容性等离子体刻蚀设备,电感性等离子体刻蚀设备,MOCVD设备,VOC设备。

6.1.6 寒武纪-U:公司最新股价250.60元/股,总市值为1043亿元;寒武纪-U是中国最具代表性的本土AI芯片厂商,全球智能芯片领域的龙头,公司其主要提供各类云服务器、边缘计算、终端设备中人工智能核心芯片研产销,公司拥有完善的智能芯片产品布局。

6.1.7 紫光国微:公司最新股价92.53元/股,总市值为786.2亿元;紫光国微是国内集成电路芯片设计龙头,公司主要业务包括集成电路芯片和石英晶体元器件方向,产品涵盖智能安全芯片、半导体功率器件及超稳晶体频率器件等方面;其中,公司深耕安全芯片领域多年,掌握多项核心技术,已实现在金融、通信、物联网等多领域布局。

6.1.8 华润微:公司最新股价57.67元/股,总市值为761.3亿元;华润微是国内功率半导体IDM龙头厂商,公司拥有从芯片设计、掩膜制造到晶圆制作、封装测试再到终端产品销售的全产业链一体化运营能力,已成为中国本土具有重要影响力的综合性半导体企业。

6.1.9 兆易创新:公司最新股价110.3元/股,总市值为735.7亿元;兆易创新是国内半导体设计(存储+MCU)的龙头,公司主营业务为存储器、微控制器和传感器的研发、技术支持和销售,在Norflash、MCU等领域国内市占率领先,在存储器产品领域,公司是全球排名第一的无晶圆厂Flash供应商。

6.2.1 澜起科技:公司最新股价62.59元/股,总市值为711.1亿元;澜起科技是全球内存接口芯片龙头;公司是全球可提供从DDR2到DDR5内存全缓冲/半缓冲完整解决方案的主要供应商之一,在该领域拥有重要话语权,是全球可提供DDR4内存接口芯片的三家主要厂商之一。


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