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晶体管(transistor)是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此晶体管可做为电流的开关,和一般机械开关(如relay、switch)不同处在于晶体管是利用电讯号来控制,而且开关速度可以非常之快,在实验室中的切换速度可达100ghz以上。

半导体三极管,是内部含有两个pn结,外部通常为三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用,应用十分广泛。输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路,叫做晶体管-晶体管逻辑电路,书刊和实用中都简称为ttl电路,它属于半导体集成电路的一种,其中用得最普遍的是ttl与非门。ttl与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上,封装成一个独立的元件。半导体三极管应用最广泛的器件之一,在电路中用“v”或“vt”(旧文字符号为“q”、“gb”等)表示。

半导体三极管主要分为两大类:双极性晶体管(bjt)和场效应晶体管(fet)。晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由n型跟p型组成发射极(emitter)、基极 (base) 和集电极(collector);场效应晶体管的三个极,分别是源极 (source)、栅极(gate)和漏极(drain)。晶体管因为有三种极性,所以也有三种的使用方式,分别是发射极接地(又称共射放大、ce组态)、基极接地(又称共基放大、cb组态)和集电极接地(又称共集放大、cc组态、发射极随隅器)。

在双极性晶体管中,发射极到基极的很小的电流,会使得发射极到集电极之间,产生大电流;在场效应晶体管中,在栅极施加小电压,来控制源极和漏极之间的电流。在模拟电路中,晶体管用于放大器、音频放大器、射频放大器、稳压电路; 在计算机电源中,主要用于开关电源。晶体管也应用于数字电路,主要功能是当成电子开关。数字电路包括逻辑门、随机存取内存(ram)和微处理器。晶体管在使用上有许多要注意的最大额定值,像是最大电压、最大电流、最大功率……,在超额的状态下使用,晶体管内部的结构会被破坏。每种型号的晶体管还有特有的特性,像是直流放大率hfe、nf噪讯比等,可以藉由晶体管规格表或是data sheet得知。

晶体管在电路最常用的用途应该是属于讯号放大这一方面,其次是阻抗匹配、讯号转换……等,晶体管在电路中是个很重要的组件,许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。

按半导体材料和极性分类

按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。按晶体管的极性可分为锗npn型晶体管、锗pnp晶体管、硅npn型晶体管和硅pnp型晶体管。

按结构及制造工艺分类

晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。

按电流容量分类

晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。

按工作频率分类

晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。

按封装结构分类

晶体管按封装结构可分为金属封装(简称金封)晶体管、塑料封装(简称塑封)晶体管、玻璃壳封装(简称玻封)晶体管、表面封装(片状)晶体管和陶瓷封装晶体管等。其封装外形多种多样。

按功能和用途分类

晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。

※ 电力晶体管

电力晶体管按英文giant transistor直译为巨型晶体管,是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(bipolar junction transistor—bjt),所以有时也称为power bjt;其特性有:耐压高,电流大,开关特性好,但驱动电路复杂,驱动功率大;gtr和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。

※ 光晶体管

光晶体管(phototransistor)由双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件。光在这类器件的有源区内被吸收,产生光生载流子,通过内部电放大机构,产生光电流增益。光晶体管三端工作,故容易实现电控或电同步。光晶体管所用材料通常是砷化镓(caas),主要分为双极型光晶体管、场效应光晶体管及其相关器件。双极型光晶体管通常增益很高,但速度不太快,对于gaas-gaalas,放大系数可大于1000,响应时间大于纳秒,常用于光探测器,也可用于光放大。场效应光晶体管响应速度快(约为50皮秒),但缺点是光敏面积小,增益小(放大系数可大于10),常用作极高速光探测器。与此相关还有许多其他平面型光电器件,其特点均是速度快(响应时间几十皮秒)、适于集成。这类器件可望在光电集成中得到应用。

※ 双极晶体管

双极晶体管(bipolar transistor)指在音频电路中使用得非常普遍的一种晶体管。双极则源于电流系在两种半导体材料中流过的关系。双极晶体管根据工作电压的极性而可分为npn型或pnp型。

※ 双极结型晶体管 双极结型晶体管(bipolar junction transistor—bjt)又称为半导体三极管,它是通过一定的工艺将两个pn结结合在一起的器件,有pnp和npn两种组合结构;外部引出三个极:集电极,发射极和基极,集电极从集电区引出,发射极从发射区引出,基极从基区引出(基区在中间);bjt有放大作用,重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的,为了保证这一传输过程,一方面要满足内部条件,即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度,同时基区厚度要很小,另一方面要满足外部条件,即发射结要正向偏置(加正向电压)、集电结要反偏置;bjt种类很多,按照频率分,有高频管,低频管,按照功率分,有小、中、大功率管,按照半导体材料分,有硅管和锗管等;其构成的放大电路形式有:共发射极、共基极和共集电极放大电路。

※ 场效应晶体管

场效应晶体管(field effect transistor)利用场效应原理工作的晶体管。英文简称fet。场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小,以控制半导体导电层(沟道)中多数载流子的密度或类型。它是由电压调制沟道中的电流,其工作电流是由半导体中的多数载流子输运。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极型晶体管。与双极型晶体管相比,场效应晶体管具有输入阻抗高、噪声小、极限频率高、功耗小,制造工艺简单、温度特性好等特点,广泛应用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。以硅材料为基础的金属氧化物半导体场效应管(mosfet)和以砷化镓材料为基础的肖特基势垒栅场效应管(mesfet)是两种最重要的场效应晶体管,分别为mos大规模集成电路和mes超高速集成电路的基础器件。

※ 静电感应晶体管

静电感应晶体管sit(static induction transistor)诞生于1970年,实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率sit器件的横向导电结构改为垂直导电结构,即可制成大功率的sit器件。sit是一种多子导电的器件,其工作频率与电力mosfet相当,甚至超过电力mosfet,而功率容量也比电力mosfet大,因而适用于高频大功率场合,目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。

但是sit在栅极不加任何信号时是导通的,栅极加负偏压时关断,这被称为正常导通型器件,使用不太方便。此外,sit通态电阻较大,使得通态损耗也大,因而sit还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

※ 单电子晶体管

用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管。随着半导体刻蚀技术和工艺的发展,大规模集成电路的集成度越来越高。以动态随机存储器(dram)为例,它的集成度差不多以每两年增加四倍的速度发展,预计单电子晶体管将是最终的目标。目前一般的存储器每个存储元包含了20万个电子,而单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子,因此它将大大降低功耗,提高集成电路的集成度。1989年斯各特(j.h. f.scott-thomas)等人在实验上发现了库仑阻塞现象。在调制掺杂异质结界面形成的二维电子气上面,制作一个面积很小的金属电极,使得在二维电子气中形成一个量子点,它只能容纳少量的电子,也就是它的电容很小,小于一个?f (10~15法拉)。当外加电压时,如果电压变化引起量子点中电荷变化量不到一个电子的电荷,则将没有电流通过。直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时,才有电流通过。因此电流-电压关系不是通常的直线关系,而是台阶形的。这个实验在历史上第一次实现了用人工控制一个电子的运动,为制造单电子晶体管提供了实验依据。为了提高单电子晶体管的工作温度,必须使量子点的尺寸小于10纳米,目前世界各实验室都在想各种办法解决这个问题。有些实验室宣称已制出室温下工作的单电子晶体管,观察到由电子输运形成的台阶型电流——电压曲线,但离实用还有相当的距离。

※ 绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管(insulate-gate bipolar transistor—igbt)综合了电力晶体管(giant transistor—gtr)和电力场效应晶体管(power mosfet)的优点,具有良好的特性,应用领域很广泛;igbt也是三端器件:栅极,集电极和发射极。

晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。

※ 电流放大系数

电流放大系数也称电流放大倍数,用来表示晶体管放大能力。

根据晶体管工作状态的不同,电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。

1.直流电流放大系数 直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数,是指在静态无变化信号输入时,晶体管集电极电流ic与基极电流ib的比值,一般用hfe或β表示。

2.交流电流放大系数 交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数,是指在交流状态下,晶体管集电极电流变化量△ic与基极电流变化量△ib的比值,一般用hfe或β表示。

hfe或β既有区别又关系密切,两个参数值在低频时较接近,在高频时有一些差异。

※ 耗散功率

耗散功率也称集电极最大允许耗散功率pcm,是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。

耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。晶体管在使用时,其实际功耗不允许超过pcm值,否则会造成晶体管因过载而损坏。

通常将耗散功率pcm小于1w的晶体管称为小功率晶体管,pcm等于或大于1w、小于5w的晶体管被称为中功率晶体管,将pcm等于或大于5w的晶体管称为大功率晶体管。

※ 频率特性

晶体管的电流放大系数与工作频率有关。若晶体管超过了其工作频率范围,则会出现放大能力减弱甚至失去放大作用。

晶体管的频率特性参数主要包括特征频率ft和最高振荡频率fm等。

1.特征频率ft 晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时,其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。

通常将特征频率ft小于或等于3mhz的晶体管称为低频管,将ft大于或等于30mhz的晶体管称为高频管,将ft大于3mhz、小于30mhz的晶体管称为中频管。

2.最高振荡频率fm 最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。

通常,高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα,而特征频率ft则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。

集电极最大电流icm

集电极最大电流是指晶体管集电极所允许通过的最大电流。当晶体管的集电极电流ic超过icm时,晶体管的β值等参数将发生明显变化,影响其正常工作,甚至还会损坏。

最大反向电压

最大反向电压是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压。它包括集电极—发射极反向击穿电压、集电极—基极反向击穿电压和发射极—基极反向击穿电压。

1.集电极——发射极反向击穿电压 该电压是指当晶体管基极开路时,其集电极与发射极之间的最大允许反向电压,一般用vceo或bvceo表示。

2.集电极——基极反向击穿电压 该电压是指当晶体管发射极开路时,其集电极与基极之间的最大允许反向电压,用vcbo或bvcbo表示。

3.发射极——基极反向击穿电压 该电压是指当晶体管的集电极开路时,其发射极与基极与之间的最大允许反向电压,用vebo或bvebo表示。

※ 反向电流

晶体管的反向电流包括其集电极—基极之间的反向电流icbo和集电极—发射极之间的反向击穿电流iceo。

1.集电极——基极之间的反向电流icbo icbo也称集电结反向漏电电流,是指当晶体管的发射极开路时,集电极与基极之间的反向电流。icbo对温度较敏感,该值越小,说明晶体管的温度特性越好。

2.集电极——发射极之间的反向击穿电流iceo iceo是指当晶体管的基极开路时,其集电极与发射极之间的反向漏电电流,也称穿透电流。此电流值越小,说明晶体管的性能越好。

(1)普通二极管的检测

普通二极管(包括检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管)是由一个pn结构成的半导体器件,具有单向导电特性。通过用万用表检测其正、反向电阻值,可以判别出二极管的电极,还可估测出二极管是否损坏。 

?1.极性的判别将万用表置于r×100档或r×1k档,两表笔分别接二极管的两个电极,测出一个结果后,对调两表笔,再测出一个结果。两次测量的结果中,有一次测量出的阻值较大(为反向电阻),一次测量出的阻值较小(为正向电阻)。在阻值较小的一次测量中,黑表笔接的是二极管的正极,红表笔接的是二极管的负极。 

2.单负导电性能的检测及好坏的判断通常,锗材料二极管的正向电阻值为1kω左右,反向电阻值为300左右。硅材料二极管的电阻值为5 kω左右,反向电阻值为∞(无穷大)。正向电阻越小越好,反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊,说明二极管的单向导电特性越好。 若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小,则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大,则说明该二极管已开路损坏。 

3.反向击穿电压的检测二极管反向击穿电压(耐压值)可以用晶体管直流参数测试表测量。其方法是:测量二极管时,应将测试表的“npn/pnp”选择键设置为npn状态,再将被测二极管的正极接测试表的“c”插孔内,负极插入测试表的“e”插孔,然后按下“v(br)”键,测试表即可指示出二极管的反向击穿电压值。 也可用兆欧表和万用表来测量二极管的反向击穿电压、测量时被测二极管的负极与兆欧表的正极相接,将二极管的正极与兆欧表的负极相连,同时用万用表(置于合适的直流电压档)监测二极管两端的电压。如图4-71所示,摇动兆欧表手柄(应由慢逐渐加快),待二极管两端电压稳定而不再上升时,此电压值即是二极管的反向击穿电压。

(二)稳压管的检测

1.正、负电极的判别从外形上看,金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形,负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极,另一端为正极。对标志不清楚的稳压二极管,也可以用万用表判别其极性,测量的方法与普通二极管相同,即用万用表r×1k档,将两表笔分别接稳压二极管的两个电极,测出一个结果后,再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中,阻值较小那一次,黑表笔接的是稳压二极管的正极,红表笔接的是稳压二极管的负极。若测得稳压二极管的正、反向电阻均很小或均为无穷大,则说明该二极管已击穿或开路损坏。 

2.稳压值的测量用0~30v连续可调直流电源,对于13v以下的稳压二极管,可将稳压电源的输出电压调至15v,将电源正极串接1只1.5kω限流电阻后与被测稳压二极管的负极相连接,电源负极与稳压二极管的正极相接,再用万用表测量稳压二极管两端的电压值,所测的读数即为稳压二极管的稳压值。若稳压二极管的稳压值高于15v,则应将稳压电源调至20v以上。 也可用低于1000v的兆欧表为稳压二极管提供测试电源。其方法是:将兆欧表正端与稳压二极管的负极相接,兆欧表的负端与稳压二极管的正极相接后,按规定匀速摇动兆欧表手柄,同时用万用表监测稳压二极管两端电压值(万用表的电压档应视稳定电压值的大小而定),待万用表的指示电压指示稳定时,此电压值便是稳压二极管的稳定电压值。 若测量稳压二极管的稳定电压值忽高忽低,则说明该二极管的性不稳定。 图4-72是稳压二极管稳压值的测量方法。

(三)双向触发管的检测

1.正、反向电阻值的测量用万用表r×1k或r×10k档,测量双向触发二极管正、反向电阻值。正常时其正、反向电阻值均应为无穷大。若测得正、反向电阻值均很小或为0,则说明该二极管已击穿损坏。 

2.测量转折电压测量双向触发二极管的转折电压有三种方法。 

第一种方法是:将兆欧表的正极(e)和负极(l)分别接双向触发二极管的两端,用兆欧表提供击穿电压,同时用万用表的直流电压档测量出电压值,将双向触发二极管的两极对调后再测量一次。比较一下两次测量的电压值的偏差(一般为3~6v)。此偏差值越小,说明此二极管的性能越好。 

第二种方法是:先用万用表测出市电电压u,然后将被测双向触发二极管串入万用表的交流电压测量回路后,接入市电电压,读出电压值u1,再将双向触发二极管的两极对调连接后并读出电压值u2。 若u1与u2的电压值相同,但与u的电压值不同,则说明该双向触发二极管的导通性能对称性良好。若u1与u2的电压值相差较大时,则说明该双向触发二极管的导通性不对称。若u1、u2电压值均与市电u相同时,则说明该双向触发二极管内部已短路损坏。若u1、u2的电压值均为0v,则说明该双向触发二极管内部已开路损坏。 

第三种方法是:用0~50v连续可调直流电源,将电源的正极串接1只20kω电阻器后与双向触发二极管的一端相接,将电源的负极串接万用表电流档(将其置于1ma档)后与双向触发二极管的另一端相接。逐渐增加电源电压,当电流表指针有较明显摆动时(几十微安以上),则说明此双向触发二极管已导通,此时电源的电压值即是双向触发二极管的转折电压。 图4-73是双向触发二极管转折电压的检测方法。

(四)发光管的检测

1.正、负极的判别将发光二极管放在一个光源下,观察两个金属片的大小,通常金属片大的一端为负极,金属片小的一端为正极。 

2.性能好坏的判断 用万用表r×10k档,测量发光二极管的正、反向电阻值。正常时,正向电阻值(黑表笔接正极时)约为10~20kω,反向电阻值为250kω~∞(无穷大)。较高灵敏度的发光二极管,在测量正向电阻值时,管内会发微光。若用万用表r×1k档测量发光二极管的正、反向电阻值,则会发现其正、反向电阻值均接近∞(无穷大),这是因为发光二极管的正向压降大于1.6v(高于万用表r×1k档内电池的电压值1.5v)的缘故 用万用表的r×10k档对一只220μf/25v电解电容器充电(黑表笔接电容器正极,红表笔接电容器负极),再将充电后的电容器正极接发光二极管正极、电容器负极接发光二极管负极,若发光二极管有很亮的闪光,则说明该发光二极管完好。 也可用3v直流电源,在电源的正极串接1只33ω电阻后接发光二极管的正极,将电源的负极接发光二极管的负极(见图4-74),正常的发光二极管应发光。或将1节1.5v电池串接在万用表的黑表笔(将万用表置于r×10或r×100档,黑表笔接电池负极,等于与表内的1.5v电池串联),将电池的正极接发光二极管的正极,红表笔接发光二极管的负极,正常的发光二极管应发光。

(五)红外发光管的检测

1.正、负极性的判别红外发光二极管多采用透明树脂封装,管心下部有一个浅盘,管内电极宽大的为负极,而电极窄小的为正极。也可从管身形状和引脚的长短来判断。通常,靠近管身侧向小平面的电极为负极,另一端引脚为正极。长引脚为正极,短引脚为负极。 

2.性能好坏的测量用万用表r×10k档测量红外发光管有正、反向电阻。正常时,正向电阻值约为15~40kω(此值越小越好);反向电阻大于500kω(用r×10k档测量,反向电阻大于200 kω)。若测得正、反向电阻值均接近零,则说明该红外发光二极管内部已击穿损坏。若测得正、反向电阻值均为无穷大,则说明该二极管已开路损坏。若测得的反向电阻值远远小于500kω,则说明该二极管已漏电损坏。

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(六)红外光敏管的检测

将万用表置于r×1k档,测量红外光敏二极管的正、反向电阻值。正常时,正向电阻值(黑表笔所接引脚为正极)为3~10 kω左右,反向电阻值为500 kω以上。若测得其正、反向电阻值均为0或均为无穷大,则说明该光敏二极管已击穿或开路损坏。 在测量红外光敏二极管反向电阻值的同时,用电视机遥控器对着被测红外光敏二极管的接收窗口(见图4-75)。正常的红外光敏二极管,在按动遥控器上按键时,其反向电阻值会由500 kω以上减小至50~100 kω之间。阻值下降越多,说明红外光敏二极管的灵敏度越高。

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(七)其他光敏管的检测

1.电阻测量法用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口,然后用万用表r×1k档测量光敏二极管的正、反向电阻值。正常时,正向电阻值在10~20kω之间,反向电阻值为∞(无穷大)。若测得正、反向电阻值均很小或均为无穷大,则是该光敏二极管漏电或开路损坏。 再去掉黑纸或黑布,使光敏二极管的光信号接收窗口对准光源,然后观察其正、反向电阻值的变化。正常时,正、反向电阻值均应变小,阻值变化越大,说明该光敏二极管的灵敏度越高。 2.电压测量法将万用表置于1v直流电压档,黑表笔接光敏二极管的负极,红表笔接光敏二极管的正极、将光敏二极管的光信号接收窗口对准光源。正常时应有0.2~0.4v电压(其电压与光照强度成正比)。 

3.电流测量法将万用表置于50μa或500μa电流档,红表笔接正极,黑表笔接负极,正常的光敏二极管在白炽灯光下,随着光照强度的增加,其电流从几微安增大至几百微安。

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(八)激光管的检测

1.阻值测量法拆下激光二极管,用万用表r×1k或r×10k档测量其正、反向电阻值。正常时,正向电阻值为20~40kω之间,反向电阻值为∞(无穷大)。若测得正向电阻值已超过50kω,则说明激光二极管的性能已下降。若测得的正向电阻值大于90kω,则说明该二极管已严重老化,不能再使用了。 

2.电流测量法用万用表测量激光二极管驱动电路中负载电阻两端的电压降,再根据欧姆定律估算出流过该管的电流值,当电流超过100ma时,若调节激光功率电位器(见图4-76),而电流无明显的变化,则可判断激光二极管严重老化。若电流剧增而失控,则说明激光二极管的光学谐振腔已损坏。

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(九)变容管的检测

1.正、负极的判别有的变容二极管的一端涂有黑色标记,这一端即是负极,而另一端为正极。还有的变容二极管的管壳两端分别涂有黄色环和红色环,红色环的一端为正极,黄色环的一端为负极。 也可以用数字万用表的二极管档,通过测量变容二极管的正、反向电压降来判断出其正、负极性。正常的变容二极管,在测量其正向电压降时,表的读数为0.58~0.65v;测量其反向电压降时,表的读数显示为溢出符号“1”。在测量正向电压降时,红表笔接的是变容二极管的正极,黑表笔接的是变容二极管的负极。 

2.性能好坏的判断用指针式万用表的r×10k档测量变容二极管的正、反向电阻值。正常的变容二极管,其正、反向电阻值均为∞(无穷大)。若被测变容二极管的正、反向电阻值均有一定阻值或均为0,则是该二极管漏电或击穿损坏。

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(十)双基极管的检测

1.电极的判别将万用表置于r×1k档,用两表笔测量双基极二极管三个电极中任意两个电极间的正反向电阻值,会测出有两个电极之间的正、反向电阻值均为2~10kω,这两个电极即是基极b1和基极b2,另一个电极即是发射极e。再将黑表笔接发射极e,用红表笔依次去接触另外两个电极,一般会测出两个不同的电阻值。有阻值较小的一次测量中,红表笔接的是基极b2,另一个电极即是基极b1。 

2.性能好坏的判断双基极二极管性能的好坏可以通过测量其各极间的电阻值是否正常来判断。用万用表r×1k档,将黑表笔接发射极e,红表笔依次接两个基极(b1和b2),正常时均应有几千欧至十几千欧的电阻值。再将红表笔接发射极e,黑表笔依次接两个基极,正常时阻值为无穷大。 双基极二极管两个基极(b1和b2)之间的正、反向电阻值均为2~10kω范围内,若测得某两极之间的电阻值与上述正常值相差较大时,则说明该二极管已损坏。

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(十一)桥堆的检测

1.全桥的检测大多数的整流全桥上,均标注有“ ;”、“-”、“~”符号(其中“ ;”为整流后输出电压的正极,“-”为输出电压的负极,“~”为交流电压输入端),很容易确定出各电极。rac电子资料网 检测时,可通过分别测量“ ;”极与两个“~”极、“-”极与两个“~”之间各整流二极管的正、反向电阻值(与普通二极管的测量方法相同)是否正常,即可判断该全桥是否已损坏。若测得全桥内鞭只二极管的正、反向电阻值均为0或均为无穷大,则可判断该二极管已击穿或开路损坏。 

2.半桥的检测半桥是由两只整流二极管组成,通过用万用表分别测量半桥内部的两只二极管的正、反电阻值是否正常,即可判断出该半桥是否正常。

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(十二)高压硅堆检测

高压硅堆内部是由多只高压整流二极管(硅粒)串联组成,检测时,可用万用表的r×10k档测量其正、反向电阻值。正常的高压硅堆,其正向电阻值大于200kω,反向电阻值为无穷大。若测得其正、反向均有一定电阻值,则说明该高压硅堆已软击穿损坏。

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(十三)变阻的检测

用万用表r×10k档测量变阻二极管的正、反向电阻值,正常的高频变阻二极管的正向电阻值(黑表笔接正极时)为4.5~6kω,反向电阻值为无穷大。若测得其正、反向电阻值均很小或均为无穷大,则说明被测变阻二极管已损坏。

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(十四)肖特基的检测

二端型肖特基二极管可以用万用表r×1档测量。正常时,其正向电阻值(黑表笔接正极)为2.5~3.5ω,投向电阻值为无穷大。若测得正、反电阻值均为无穷大或均接近0,则说明该二极管已开路或击穿损坏。 三端型肖特基二极管应先测出其公共端,判别出共阴对管,还是共阳对管,然后再分别测量两个二极管的正、反向电阻值。正向特性测试 把

万用表

的黑表笔(表内正极)搭触二极管的正极,红表笔(表内负极)搭触二极管的负极。若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间,这时的阻值就是二极管的正向

电阻

,一般正向电阻越小越好。若正向电阻为0值,说明管芯短路损坏,若正向电阻接近无穷大值,说明管芯断路。短路和断路的管子都不能使用。

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反向特性测试

把万用表的红表笔搭触二极管的正极,黑表笔搭触二极管的负极,若表针指在无穷大值或接近无穷大值,二极管就是合格的。

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文章大纲

集成电路封测行业综述 ?产业链分析 ?行业市场规模 封测行业政策分析 封测行业发展趋势 ?先进封测技术将主导集成电路封测市场 ?晶圆制程厂商与模组厂商向封测厂商渗透 封测行业投资逻辑 ?集成电路国产化持续推进 ?国家级资金大力扶持中国封测行业 封测行业财务数据分析 封测行业竞争格局分析

集成电路

中国集成电路封测行业综述

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定义

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封测为集成电路制造的后道工序,分为封装与测试两个环节,是提高集成电路稳定性及制造水平的关键工序。

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集成电路封测定义

集成电路封测是集成电路产品制造的后道工序,指将通过测试的晶圆按产品型号及功能需求加工得到独立集成电路的过程。集成电路封装测试分为封装与测试两个环节:(1)封装环节将集成电路与引线框架上的集成电路焊盘与引脚相连接以达到稳定驱动集成电路的目的,并使用塑封料保护集成电路免受外部环境的损伤;(2)广义的半导体测试工艺贯穿集成电路设计、制造、封测三大过程,是提高集成电路制造水平的关键工序之一。封测环节的测试工艺特指后道检测中的晶圆检测(cp)及成品检测(ft)。

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发展历程

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中国集成电路封测行业发展可分为五个阶段。当前,中国封装企业大多以第一、第二阶段的传统封装技术为主,例如dip、sop等,产品定位中低端。

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集成电路封测行业发展历程

中国集成电路封测行业发展可分为五个阶段。当前,中国封装企业大多以第一、第二阶段的传统封装技术为主,例如dip、sop等,产品定位中低端。随着中国封测技术的创新步伐加快,qfn、bga、wlp、sip、tsv、3d等先进集成电路封装形式逐渐进入量产阶段。自第三阶段起的封装技术统称为先进封装技术。先进封装技术更迎合集成电路微小化、复杂化、集成化的发展趋势。

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产业链分析

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中国集成电路封测上游主要参与者为晶圆制造厂商。中国晶圆制造厂商多为代工厂,实力强劲。下游新兴应用市场的增长为封测行业增长的主要驱动力。

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集成电路封测行业产业链

集成电路封测上游厂商包括晶圆制造厂商及封装材料厂商,下游应用市场可分为传统应用市场及新兴应用市场。集成电路封测产业运作模式为集成电路设计公司根据市场需求设计出集成电路版图,由于集成电路设计公司本身无芯片制造工厂和封装测试工厂,集成电路设计公司完成芯片设计,交给晶圆代工厂制造晶圆,晶圆完工后交付封测公司,由封测公司进行芯片封装测试,之后集成电路设计公司将集成电路产品销售给电子整机产品制造商,最后由电子整机产品制造商销售至下游终端市场。

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产业链上游分析

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晶圆制造厂商以foundary模式为主,全球前十大晶圆制造厂商仅有三星为idm模式。封装材料的门槛相对晶圆材料门槛较低,中国已实现进口替代。

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晶圆制造厂商

封测为集成电路制造的后道工序,对加工好的晶圆进行封装,因此晶圆制造代工厂为封测行业上游的主要参与者。晶圆制造行业技术与资金壁垒高,行业集中度极高,全球前十大晶圆制造企业合计营收在全球晶圆制造市场规模的占比在90%左右,龙头企业包括台积电、格罗方德、三星以及中芯国际等,其中仅有三星为idm模式,拥有自身的封测产线,台积电的业务也开始向封测领域渗透。其他巨头晶圆制造企业如中芯国际不具备先进封测技术,需与专业的封测企业合作,完成最后的封测工艺。

晶圆封装材料工厂

除晶圆制造企业,封测行业上游参与者还包括半导体封装材料供应商。封装材料包括芯片粘结材料、封装基板、引线框架、陶瓷基板、键合线及包封材料等,其中封装基板市场规模最大。2018年,芯片粘结材料、封装基板、引线框架、陶瓷基板、键合线及包封材料市场规模在中国集成电路封装材料市场规模的占比分别为3.9%、38.2%、15.8%、11.3%、13.9%及15.0%。封装材料的门槛相对晶圆材料门槛较低,中国已实现进口替代。

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产业链下游分析

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传统应用市场增长放缓,对集成电路产品需求减弱。新兴应用市场增长迅速,成为驱动集成电路产业增长的主要动力。

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传统应用市场

封装测试企业为芯片设计企业提供封测服务,芯片设计厂商将封测后的芯片成本销售至下游终端市场。封装测试行业的下游传统终端应用市场包括消费电子、家用电器、信息通讯、电力设备等行业。2018年,传统应用市场消耗的封测产品在封测行业市场规模的占比在58%左右,且以传统封测产品为主。中国消费电子及家用电器市场已进入下行周期。以智能手机为例,中国智能手机出货量自2017年起呈现负增长。中国智能手机市场收缩,导致手机设备厂商对芯片需求减弱,拖累中国封测市场增长。

新兴应用市场

随着5g基站的加速建设及5g通信技术的普及,中国物联网、人工智能、超高清市场等新兴市场加速发展。以物联网为例,5g技术可实现100万个设备/km2连接密度,相比4g技术提升10倍,为物联网发展提供核心技术支撑。中国物联网设备连接量从2014年的5.2亿个增长至2018年的26.0亿个,年复合增长率达49.5%。随着5g技术的推广,物联网设备数量将维持高速增长,成为芯片产业增长的主要动力。新兴行业增长迅速,对集成电路产品需求强劲。2018年,中国封测行业在新兴应用领域的市场规模在封测行业总市场规模的占比在42%左右,有超过封测市场在传统应用领域市场规模的趋势。

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市场规模

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封测行业为典型的劳动密集型行业,技术壁垒相对较低,市场竞争加剧,行业红利逐渐消散,中国集成电路封测行业的增速放缓。

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中国集成电路封测市场规模

受益于人工智能及物联网等新兴行业迅速发展及国产替代效应加剧,下游企业对集成电路的需求强劲。根据中国半导体协会统计,2019年前三季度集成电路累计销售额高达5,049.9亿元,同比增长15.3%。

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中国集成电路封装测试行业销售额从2015年的1,384.0亿元增长至2019年的2,314.6亿元,年复合增长率为12.0%。封测行业为典型的劳动密集型行业,技术壁垒相对较低,市场新入者增加,行业竞争加剧,导致中国集成电路封测行业的增速放缓。2019年中国集成电路封测产品销售额同比增长率较去年同期下降15.2个百分点,下滑至5.5%。2019年至2024年为中国5g基站建设的加速期,为集成电路产业新的需求增长点。中国集成电路封测行业仍可享受5g时代的红利,预计集成电路封测行业市场规模增速较2019年有所改善,维持在7%左右。

集成电路

中国集成电路封测行业

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政策分析

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封装测试业是集成电路产业的重要组成部分,集成电路产业是电子信息产业的核心,为中国战略性新兴产业。

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中国集成电路封测行业政策分析

中国高度重视和大力支持集成电路产业的发展,先后出台了一系列促进行业发展的政策。2014年6月,中国国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》,提出要提升先进封装测试行业的发展水平,推动中国封装测试行业的兼并与重组,开展芯片级封装(csp)、三维封装、晶圆级封装(wlp)、硅通孔(tsv)等高级封装测试产品的研发与量产。2015年5月,国务院颁布《中国制造2025》,提出要提升集成电路设计水平,掌握高密度封装以及三位封装技术,提升封装测试行业的发展能力与供货能力。2018年1月,中国财政部、中国税务总局、国家发展改革委、中国工业和信息化部联合颁布《关于集成电路生产企业有关企业所得税政策问题的通知》,提出对满足要求的集成电路相关企业实施税率减免等政策,加大对行业的支持。

集成电路

中国集成电路封测行业发展趋势

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先进封测技术将主导封测市场

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传统封测由于技术壁垒低、同业竞争激烈,利润空间极小,未来中国封测行业将向产品附加值更高的高级封测升级。

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中国集成电路封测技术演变路径

为满足集成电路更小更轻及集成度更高的应用需求,封装技术由传统的封装技术演变至先进封装技术。传统封装技术包括dip、plcc、qfp等。先进封装技术包括bga、qfn、2.5d/3d、wlcsp及fan-out等。先进封装技术亦朝着i/o数量更多,尺寸更小及成本更低的方向发展。

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2018年中国先进封装营收约为526亿元人民币,占中国集成电路封测总营收的25%,远低于全球41%的比例。2018年中国封测四强(长电、通富、华天、晶方)的先进封装产值约110.5亿元,约占中国先进封装总产值的21%,其余中国大陆封测企业及在大陆设有先进封装产线的外资企业、台资企业的先进封装产值约占79%。中国本土先进封测四强通过自主研发和兼并收购,快速积累先进封装技术,但中国整体先进封装技术水平与国际领先水平仍有差距。

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传统封测由于技术壁垒低、同业竞争激烈,利润空间极小,未来中国封测行业应向产品附加值更高的高级封测升级,资本支出将取代人力成本作为新的行业推动力。5g时代的到来将推动ai、物联网、智能汽车等新兴应用市场,这些新兴应用对电子硬件提出更高的要求:高性能、高集成、高速度、低功耗、低成本。先进封装技术是解决各种性能需求和复杂结构集成需求的最佳选择。

在消费类电子产品轻、小、短、薄化的市场发展趋势下,晶圆级芯片尺寸封装的成本优势愈加明显,将逐步挤占传统封装的市场份额。

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中国集成电路先进封装技术举例

以wlcsp(晶圆级芯片尺寸封装技术)为例,传统封装将晶圆先切割成芯片,再对芯片实施单独的封装,而wlcsp封装先对晶圆进行封装、测试作业,然后将封装测试后的晶圆进行切割。wlcsp封装后的芯片尺寸与裸芯片大小一致,大幅缩小芯片封装后的尺寸,wlcsp封装的产品比传统qfp产品小75%、重量轻85%。此外,wlcsp封装技术大幅减小封装成本。wlcsp的封装成本按照晶圆数计量,切割后的芯片数不会增加封装成本,而传统封装的封装成本是按封装芯片的个数计量,因此,wlcsp的封装成本随晶圆尺寸的增大和芯片数量增加而降低。在消费类电子产品轻、小、短、薄化的市场发展趋势下,晶圆级芯片尺寸封装的成本优势愈加明显,将逐步挤占传统封装的市场份额。

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晶圆制造与模组厂商向封测厂商渗透

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随着先进封装技术的演变,晶圆制造、封测及模组企业的业务相互渗透,存在一定的竞争关系。未来中国封测企业或考虑整合晶圆制造及模组企业。

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晶圆制造行业、封测行业与模组行业相互渗透

晶圆制造厂商进军封测行业晶圆级芯片封装(wlcsp)及系统级芯片封装(sip)为先进封装技术两大主流发展方向,其中晶圆级芯片封装制程需用到晶圆制造所用技术与设备例如刻蚀、沉积等技术与设备,意味着晶圆制造行业与封测行业业务分界模糊,可相互渗透和拓展。晶圆级芯片封装技术可将晶圆制造、封装测试、模组厂整合为一体,优化集成电路产业链,使得芯片生产周期缩短,进而提高生产效率,降低生产成本。例如,全球晶圆制造龙头企业台积电将业务扩张至封测领域,推出info集成扇出型晶圆封装技术和cowos晶圆基底芯片封装技术。台积电借助将制造工艺与封测工艺结合一体的优势成功获得苹果公司的订单。台积电当前正在研发系统整合芯片封装技术及晶圆3d堆叠封装技术,预计在2021年可实现量产。

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模组行业与封测行业相互渗透

在系统级封装领域,封测企业的业务与模组企业的业务有一定的重合。随着消费电子领域集成电路产品集成度的提升、体积的缩小,部分模组、系统的组装的精度要求逼近微米级别,与封测环节的工艺产生重叠。欧菲光(o-film)通过收购索尼华南,顺利切入和拥有fc封装技术。欧菲光是目前中国唯一拥有fc封装技术的模组供应商。随着先进封装技术的演变,晶圆制造、封测及模组企业的业务相互渗透,存在一定的竞争关系。未来中国封测企业或考虑整合晶圆制造及模组企业,消除同业竞争并增加协同效应。

集成电路

中国集成电路封测行业投资逻辑

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集成电路国产化持续推进

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中国高端集成电路产品国产替代空间大。中国突破高端集成电路产品为大概率事件,未来中国高端集成电路市场需求将由本土芯片企业瓜分。

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集成电路国产化持续推进,带动封测行业增长

中国集成电路行业发展迅速,集成电路市场规模增速高达15%,但中国仅实现中低端集成电路产品的国产化,在高端集成电路产品如储存器,fpga等芯片领域,中国自供率为零。中国集成电路行业在高端领域发展受阻,主要原因在于芯片设计技术门槛高。相比晶圆制造以及封装,芯片设计拥有更高的技术壁垒,属于技术、知识和人才密集行业,企业需长时间的技术积累和经验沉淀获得技术突破。由于芯片设计行业高端人才稀缺,芯片设计企业难以有效利用获得的资金换取技术上的快速突破,导致中国政府向芯片设计行业引入的资金在短期内未能取得明显成果。

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中国高端集成电路产品国产替代空间大,合计高达11,390亿人民币。随着中国加强对集成电路产业人才的培养,及政府政策及资金的扶持,中国突破高端集成电路产品为大概率事件,未来中国高端集成电路市场需求亦将由本土芯片企业瓜分。封测作为集成电路产业重要的一环,随着国产化进程加速,本土封测企业在中国封测行业的市场份额将提升。

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国家级资金大力扶持中国封测行业

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大基金主力中国封测企业收购海外优质标的企业,获取先进封装技术,提升自身技术实力及在全球市场的竞争力。

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大基金大力扶持中国集成电路封测行业发展

国家集成电路产业基金(简称“大基金”)一期从成立至投资完毕历时接近4年,总投资额为1,387亿元,投资的上市公司超过20家,非上市公司超过50家。大基金投资标的覆盖集成电路全产业链包括设计、制造、封测、设备及材料等。大基金在集成电路制造领域的投资比重高达63%,设计领域的投资比重为20%,在封装及设备材料的投资比重分别为10%与7%。

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2014年以来,中国大陆封测企业通过大量并购海外优质标的获得先进封装技术。先进封装产品为5g时代主流封测产品,中国大陆封测企业通过海外并购获取先进封装技术,大幅提升自身技术实力及在全球市场的竞争力。长电科技及富通微电均借助大基金的资本实现跨国并购。外延式扩张使中国封测厂商进入全球前十封测厂商竞争格局。除华天科技在2019年对马来西亚unisem的并购外,其他并购均发生在2016年前,经过3年以上的整合期,封测厂商在技术能力和客户渠道方面已经实现了较为顺利的升级转变。

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大基金二期成立于2019年10月22日,注册资本高达2,041.5亿元。大基金一期的投资周期接近4年,预计大基金二期的投资周期与一期相似,因此未来3-4年集成电路全产业链将继续享受国家级资金的扶持。

集成电路

中国集成电路封测行业财务数据分析

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盈利能力分析

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中国集成电路封测行业盈利能力下滑,具体表现为平均毛利率、净资产收益率及净利润均下降。

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中国集成电路封测行业盈利能力分析

本篇报告取四家上市企业(长电科技、通富微电、华天科技与晶方科技)及五家新三板企业(利扬芯片、红光股份、华岭股份、芯哲科技、电通微电)财务指标的平均数估算集成电路封测行业的财务指标。

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销售毛利率

中国集成电路封测行业平均销售毛利率整体呈现下滑趋势,由2015年的29.7%下将至2019年上半年的23.2%。集成电路封测行业为劳动密集型行业,行业进入壁垒低,随着市场封测企业数量增加,市场竞争提升,企业利润空间降低。

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净利润

2015年至2017年,中国集成电路封测行业平均净利润保持高速增长。2018年及2019年上半年,半导体行业景气度下行,多家封测企业净利润回落,叠加中国封测行业龙头企业长电科技出现巨额亏损,导致中国集成电路封测行业平均净利润由正转负。

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2018年及2019年上半年,长电科技分别亏损9.3亿元及2.6亿元。除行业不景气影响,资产减值及星科金朋整合不及预期亦是长电科技亏损的重要原因。2018年长电科技子公司中,星科金朋净利润亏损最大,高达5.2亿元。星科金朋净利润为负的原因主要包括两点:(1)星科金朋资产过重,设备折旧费用偏高;(2)星科金朋产能利用率不足,收入不抵成本。2020年1月22日,长电科技发布2019年业绩预告,预计全年实现盈利8,200-9,800万元,顺利实现扭亏为盈,2019年中国集成电路封测行业平均净利润亦有望转正。

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净资产收益率

中国集成电路封测行业平均净资产收益率走势与毛利率走势相似,整体呈现下滑趋势,意味着中国集成电路封测企业盈利能力减弱。

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偿债能力分析与营运能力分析

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中国集成电路封测行业流动比例及存货周转率呈现上升趋势,显示封测行业维持较好的流动性。

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中国集成电路封测行业偿债能力分析

资产负债率

中国集成电路封测行业平均资产负债率在2017年出现上升拐点,其主要原因在于中国集成电路封测行业自2017年进入下行周期,封测企业净利润下降甚至部分封测企业出现亏损状态,封测企业需通过举债的形式弥补日常经营所需的现金流。

流动比率

流动比率可衡量企业流动资产在短期债务到期前,可变为现金用于偿还负债的能力,通常流动性较好、偿债能力较强的企业流动比例超过2.0。2019年上半年,中国集成电路封测行业流动比率高达2.4;华天科技、长电科技与通富微电三大封测上市企业流动比例小于1.0,流动资产不足以偿还流动负债,面临巨大流动风险;晶方科技的流动比率为8.6,偿债能力强,拉高行业平均水平。

集成电路封测行业营运能力分析

应收账款周转率

应收账款周转率为指定分析期间内应收账款转为现金的平均次数。应收账款周转率一般以3.0为界限,企业应收账款周转率若低于3.0,则影响企业的正常资金周转及偿债能力。中国集成电路封测行业的年应收账款周转率稳定在5.7-5.9之间,显示封测企业资产周转保持较高效率。

存货周转率

存货周转率越高,存货转换为现金或应收账款的速度越快,企业流动性越强。截至2018年,中国集成电路封测行业存货周转率呈现上行趋势,意味着中国集成电路封测企业保持较好的存货流动性。

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集成电路

中国集成电路封测行业

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竞争格局

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中国封测企业通过海外并购快速积累先进封装技术,先进封装技术已与海外厂商同步,但先进封装产品的营收在总营收的占比与中国台湾及美国封测巨头企业存在一定差距。

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全球集成电路封测行业竞争格局

全球集成电路封测行业竞争格局清晰,按2019年前三季度营收及市占率排名,全球封测厂商可分为三大梯队:

(1)第一梯队的企业包括日月光、安靠、长电科技、矽品及力成。第一梯队封测厂商营收规模均超过500万美元,但营收增长率保持在低位,部分头部封测企业营收呈现负增长;

(2)第二梯队企业包括力成、通富微电、华天科技及京元电子。第二梯队企业营收规模在200万-500万美元之间,市占率小于第一梯队的企业,但第二梯队企业营收增速均保持在2位数增长,显示第二梯队企业仍在高速发展期,有望进入第一梯队的行列;

(3)第三梯队企业包括联测及硕邦,营收规模在100-200万美元之前,营收增速缓慢,不及第二梯队的企业。

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中国封测头部企业与全球封测头部企业对比

从技术层面分析,中国封测企业业务主要以传统封装为主。中国封测企业通过海外并购快速积累先进封装技术,先进封装技术已与海外厂商同步,bga、tvs、wlcsp、sip等先进封装技术已实现量产,但先进封装产品的营收在总营收的占比仍与中国台湾及美国封测巨头企业存在一定差距。

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此外大陆封装企业在高密度集成电路封装技术上与国际领先厂商差距明显,如台积电提出的soc多芯片3d堆叠技术,其采用了无凸起键合结构,可更大幅度提升cpu/gpu与存储器整体运算速度。英特尔也提出类似的3d封装概念,将存储器堆叠至cpu及gpu芯片上。在3d 堆叠封装技术领域,中国大陆封测企业有待加强。

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总结

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中国上市封测企业中重点推荐晶方科技,新三板企业中重点推荐利扬芯片,非上市非挂牌企业中重点推荐气派科技,同时建议关注华天科技及芯哲科技等企业。

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中国集成电路封测行业投资建议

投资亮点

2019年,中国进入5g商用元年,未来2-3年为5g基站建设的加速期,5g基站的建设会带动射频芯片、光通信芯片等封装需求上涨。此外,5g信息技术的推动下,中国物联网、人工智能、vr等应用市场的高速发展,而芯片为这些高新技术行业的基础,在5g的推动下,芯片封测产品的需求有望大幅上涨,封测行业有望迎来新一轮的高速增长期。

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封装设备国产化率低

相较于测试设备,中国封装设备进口替代进程相对缓慢。封装步骤对应的主要设备有划片机、焊线机以及装片机等。封装设备国产化率低,根据中国国际招标网统计,2015-2019中国封测企业累计招标3,672台封装设备,其中中标的国产设备仅25台,即封装设备总体国产化率不足1%。目前,封装设备被外企垄断,且市场集中度高:(1)disco垄断全球三分之二以上的划片机市场;(2)美国k&s在焊线机的市场占有率为64%;(3)装片机则被荷兰besi、asm pacific完全垄断。中国目前并未出现市场接受度高的封装设备品牌。

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参考资料料来自:头豹、驭势资本研究所

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