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全球硅晶圓市場(chǎng)研究報(bào)告3:全球硅晶圓市場(chǎng)發(fā)展歷程

2023/06/23
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作者:張朦月、林育西

20世紀(jì)中期以來,伴隨著第三次技術(shù)革命,半導(dǎo)體行業(yè)也在悄然發(fā)展。

50年代歐美半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步,此后經(jīng)歷了幾次大規(guī)模的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。對(duì)于硅晶圓產(chǎn)業(yè),發(fā)展重點(diǎn)先后從歐美轉(zhuǎn)移到到日韓,再到中國(guó)臺(tái)灣,隨后近10年在中國(guó)大陸也有了較為快速的發(fā)展。

根據(jù)不同時(shí)期的市場(chǎng)格局以及產(chǎn)業(yè)分布特征,可以總體劃分為四大發(fā)展階段

第一階段:1958年硅片發(fā)明開始,早期廠商進(jìn)入硅晶圓生產(chǎn)領(lǐng)域,行業(yè)初步發(fā)展;

第二階段:1971年日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計(jì)劃開始,行業(yè)分化,形成美日兩大陣營(yíng);

第三階段:1991年8吋硅片應(yīng)用,單位生產(chǎn)成本大大降低;收購(gòu)兼并盛行,各家搶占市場(chǎng)份額;

第四階段:2001年12吋硅片應(yīng)用,日本廠商超越美國(guó)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,行業(yè)格局趨于穩(wěn)定。

此外,根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)整理得到1976年以來全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展情況如圖1所示。長(zhǎng)期來看,全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模和硅晶圓出貨面積都呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì);而站在短期視角,半導(dǎo)體行業(yè)則以5年左右為一個(gè)小周期,呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)的特征。

本章將從全球硅晶圓市場(chǎng)發(fā)展歷程的角度,梳理其變動(dòng)的總體趨勢(shì)與階段特征;同時(shí)立足四大發(fā)展階段,并結(jié)合行業(yè)周期視角,將主要硅晶圓供應(yīng)商的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行對(duì)比分析,以期為讀者提供更為詳盡的解讀。

圖1:1976年以來全球半導(dǎo)體市場(chǎng)概況

l第一階段:20世紀(jì)50-60年代——硅晶圓行業(yè)起步,美商占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)

硅晶圓行業(yè)于20世紀(jì)50年代起步,60年代尚處于前期成長(zhǎng)階段。

這一時(shí)期,硅晶圓制造工藝初步發(fā)展:1960年出現(xiàn)了0.75吋(約20mm)的單晶硅片;1965年以分立器件為主的晶體管,開始使用少量的1.25吋小硅片;此后,逐漸發(fā)展出2吋、3吋硅片。這期間,化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等技術(shù)已開始應(yīng)用于晶圓制造。

在這一階段,歐美電子產(chǎn)業(yè)初步發(fā)展。西屋(美國(guó))、IBM(美國(guó))、西門子(德國(guó))等電子巨頭成為早期硅的生產(chǎn)廠商,隨后一些化學(xué)公司加入陣營(yíng),構(gòu)成了硅晶圓行業(yè)的早期市場(chǎng)格局。并且這一時(shí)期的硅晶圓廠商主要依靠自身業(yè)務(wù)增長(zhǎng),發(fā)展相對(duì)緩慢。

美國(guó)的MEMC為這一時(shí)期發(fā)展起來的代表廠商。1959年孟山都化學(xué)公司建立子公司MEMC,致力于對(duì)硅材料的研究,以期趕上當(dāng)時(shí)新興的電子行業(yè)的熱潮。MEMC作為先入者,早在60年代就占據(jù)了美國(guó)硅晶圓市場(chǎng)80%的份額,為成為未來的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者奠定基礎(chǔ)。

歐洲的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與美國(guó)幾乎同時(shí)起步。在硅晶圓制造領(lǐng)域,德國(guó)的瓦克化學(xué)早在1953年就開始了在高純硅領(lǐng)域的研發(fā),并于1968年成立了致力于硅晶圓生產(chǎn)的子公司W(wǎng)acker Chemitronic,這也是當(dāng)今全球第四大晶圓供應(yīng)商世創(chuàng)電子Siltronic的最早雛形。此外,丹麥的Topsil、意大利的美娜諾(Merano)與黛娜米德諾貝爾硅( Dynamit Nobel Silicon (DNS) )也均為這一時(shí)期成立的硅晶圓生產(chǎn)廠商,后為環(huán)球晶圓所收購(gòu)。

而同一時(shí)期,日本企業(yè)通過對(duì)美國(guó)的技術(shù)引進(jìn),也開始布局硅晶圓產(chǎn)業(yè)。信越化學(xué)便是從1960年進(jìn)軍硅晶圓行業(yè),1967年成立信越半導(dǎo)體;SUMCO的前身小松電子金屬也于這一時(shí)期成立。

雖然歐美與日本開始布局硅晶圓產(chǎn)業(yè)的時(shí)間相差不大,但由于當(dāng)時(shí)日本電子行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)集群及供應(yīng)鏈的發(fā)展落后于歐美,在這一時(shí)期日本廠商總體處于競(jìng)爭(zhēng)弱勢(shì),美國(guó)廠商無論在技術(shù)或市場(chǎng)份額上均占據(jù)統(tǒng)治地位。

表1:第一階段-市場(chǎng)概況

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

而對(duì)于這一時(shí)期的晶圓廠商來說,前期玩家不多,硅晶圓市場(chǎng)處于寡頭壟斷狀態(tài),且主要廠商間技術(shù)差異較小。單就技術(shù)節(jié)點(diǎn)而言,并未在這一時(shí)期拉開明顯差距。

圖2:第一階段:前期玩家不多,彼此間技術(shù)差異較小

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

l第二階段:20世紀(jì)70-80年代——行業(yè)分化,技術(shù)迭代,形成美日兩大陣營(yíng)

經(jīng)過早期的資本與技術(shù)積累,硅晶圓行業(yè)于70年代后進(jìn)入行業(yè)分化的加速擴(kuò)張階段。在這一時(shí)期,無論是技術(shù)迭代抑或產(chǎn)能擴(kuò)張都呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

在制造工藝方面,1975年4吋單晶硅片開始在全球市場(chǎng)上普及,80年代前后5吋、6吋硅片開始大規(guī)模生產(chǎn)。其中,從100mm開始,硅片邊緣被打磨成圓形,大大減少了晶片碎裂的可能性并提高了良率,為其尺寸的進(jìn)一步擴(kuò)大奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí),外延晶圓也得到更加廣泛的應(yīng)用。

70年代以來,隨著消費(fèi)電子的興起,家用游戲機(jī)、錄像機(jī)、個(gè)人電腦、CD相繼問世,半導(dǎo)體市場(chǎng)空前擴(kuò)大,也引發(fā)硅晶圓廠商的擴(kuò)張熱潮。這一時(shí)期,眾多廠商進(jìn)行了大規(guī)模的海外產(chǎn)能擴(kuò)張,硅片產(chǎn)能逐步向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移,一定程度上帶動(dòng)了亞太地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

這一時(shí)期,以MEMC為代表的美國(guó)廠商繼續(xù)保持領(lǐng)先發(fā)展態(tài)勢(shì),先后在馬來西亞、意大利、日本、英國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等地都建立了本地工廠;與此同時(shí),日本廠商雖然在這時(shí)仍處于追隨地位,但已在悄然蓄力,相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善,為90-00年代的厚積薄發(fā)奠定基礎(chǔ)。

這一階段日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出計(jì)劃性、規(guī)模性的特征:1971年日本通商產(chǎn)業(yè)省制定了趕超美國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計(jì)劃;1976年成立“超大規(guī)模集成電路技術(shù)研究組織”(VLSI,獲得了NEC、富士通、日立、東芝、松下等企業(yè)共計(jì)760億日元的投資。伴隨著日本半導(dǎo)體行業(yè)的崛起,美日半導(dǎo)體貿(mào)易摩擦也在加劇,從1977年至1996年持續(xù)了整整20年。盡管面臨著不利的國(guó)際環(huán)境,日本廠商仍于80年代迅速崛起,至80年代中期達(dá)到與美國(guó)相等的市場(chǎng)份額。

值得注意的是:由于這一時(shí)期硅片廠商都進(jìn)行了大規(guī)模的產(chǎn)能擴(kuò)張,再疊加行業(yè)經(jīng)濟(jì)周期的影響,80年代以來半導(dǎo)體行業(yè)出現(xiàn)了幾次低谷,硅片價(jià)格也出現(xiàn)階段性的下滑趨勢(shì)。對(duì)此,美日晶圓廠商采取了完全不同的應(yīng)對(duì)策略:對(duì)于硅片價(jià)格的下滑,日本廠商進(jìn)一步采取低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額;而美國(guó)廠商在此競(jìng)爭(zhēng)壓力下卻顯然處于被動(dòng)地位,利潤(rùn)下降乃至頻頻虧損。如1989年孟山都集團(tuán)下定決心剝離MEMC一般,美國(guó)逐步將以硅片為代表的半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)向外轉(zhuǎn)移,本土則將發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了下游的芯片設(shè)計(jì)與制造;而日本的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也逐步向上游的材料、設(shè)備行業(yè)轉(zhuǎn)移。

此外,在這一時(shí)期,各國(guó)(地區(qū))政府也都意識(shí)到了半導(dǎo)體作為戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)的重要性,紛紛加大對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政策扶持與投資力度。如歐洲在80年代提出了歐洲信息技術(shù)研究戰(zhàn)略計(jì)劃(ESPRIT)與歐洲半導(dǎo)體亞微米硅聯(lián)合計(jì)劃(JESSI)等,加強(qiáng)半導(dǎo)體領(lǐng)域歐盟成員國(guó)間的合作,“報(bào)團(tuán)取暖”以提升歐洲產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力;而韓國(guó)中國(guó)臺(tái)灣等地也在政府的推動(dòng)下積極布局半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),并享受到歐美產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的紅利。

表2:第二階段-市場(chǎng)概況

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

圖3:第二階段:主要晶圓廠商加速海外擴(kuò)張,形成美日兩大陣營(yíng)

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

l第三階段:20世紀(jì)90年代——收購(gòu)兼并盛行,加速搶占市場(chǎng)份額

以1991年8吋硅片的應(yīng)用作為時(shí)間節(jié)點(diǎn),硅晶圓行業(yè)隨之進(jìn)入第三發(fā)展階段——加速搶占市場(chǎng)份額的階段。而隨著市場(chǎng)的日漸成熟,硅晶圓以及其所處的半導(dǎo)體行業(yè)也開始呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性波動(dòng)態(tài)勢(shì)。

在制造工藝方面,8吋片的應(yīng)用是一個(gè)里程碑式的節(jié)點(diǎn)。比起在80年代得到廣泛應(yīng)用的6吋片,單個(gè)8吋晶圓上可以生產(chǎn)的芯片數(shù)量翻了一倍,大大降低了單位生產(chǎn)成本,晶圓廠商的邊際毛利得到大幅提升。

此外,這一時(shí)期SOI技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。SOI晶圓最早產(chǎn)生于80年代。由于其具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、繼承密度高、速度快、功耗低、襯底噪聲低等優(yōu)點(diǎn),使得其廣泛應(yīng)用于射頻前端芯片中。1992年成立的Soitec是SOI硅片的龍頭供應(yīng)商。

縱觀這一時(shí)期的市場(chǎng)格局,8吋片的應(yīng)用很大程度上替代了原有的小尺寸硅片,很快憑借其成本優(yōu)勢(shì)成為主力晶圓,各大供應(yīng)商紛紛擴(kuò)產(chǎn)以搶占市場(chǎng)份額。盡管在此前80年代內(nèi)存價(jià)格暴跌的低迷周期中,日本有著比美國(guó)更好的表現(xiàn);但隨著行業(yè)生機(jī)的恢復(fù),再加上美國(guó)廠商長(zhǎng)期的技術(shù)積累,在這一階段,對(duì)于8吋晶圓,美商仍然占據(jù)主動(dòng)地位,承包了主要市場(chǎng)份額。

日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雖然在80年代初期獲得了快速發(fā)展,但在90年代受到美國(guó)、韓國(guó)甚至中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)廠商的擠壓,并未能一直延續(xù)高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭,在美日之爭(zhēng)中仍處于跟隨地位。但其總體正處于積蓄力量的階段,在這一時(shí)期,信越等大企業(yè)加強(qiáng)了產(chǎn)業(yè)鏈的收購(gòu)整合,為21世紀(jì)初的厚積薄發(fā)奠定基礎(chǔ)。

而這一時(shí)期歐洲的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持穩(wěn)步發(fā)展,在汽車及工業(yè)半導(dǎo)體領(lǐng)域建立優(yōu)勢(shì)地位,但總體市場(chǎng)份額不大;韓國(guó)則在存儲(chǔ)器領(lǐng)域及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈形成獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),隨著三星、SK海力士等企業(yè)成為全球內(nèi)存芯片領(lǐng)導(dǎo)者,由于這些公司的內(nèi)存產(chǎn)品嚴(yán)重依賴硅晶圓,極大推動(dòng)了韓國(guó)硅晶圓行業(yè)的需求和增長(zhǎng);而對(duì)于中國(guó)臺(tái)灣地區(qū),這一時(shí)期半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游已基本完備,主要硅晶圓廠商開始在全球范圍內(nèi)擴(kuò)展業(yè)務(wù)。

表3:第三階段-市場(chǎng)概況

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圖4:第三階段:各家搶占市場(chǎng)份額,大尺寸硅片成為產(chǎn)能建設(shè)重點(diǎn)

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l第四階段:21世紀(jì)初——日本廠商超越美國(guó)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位;硅晶圓市場(chǎng)進(jìn)入成熟階段,行業(yè)格局趨于穩(wěn)定

21世紀(jì)初12吋硅片的應(yīng)用又帶來了新的行業(yè)變革。

隨著12吋晶圓在邏輯、存儲(chǔ)等領(lǐng)域逐漸取代8吋晶圓成為主力晶圓,日本廠商抓住這一機(jī)遇,在12吋晶圓之爭(zhēng)中一舉打敗美國(guó),奠定了難以撼動(dòng)的龍頭地位。

比起在8吋晶圓應(yīng)用之初就已經(jīng)大量擴(kuò)產(chǎn)的美國(guó)廠商,日本廠商則更多把精力放在12吋片的研發(fā)與制造中:如信越化學(xué)早在1999年就決定在白河工廠投資建設(shè)300mm晶圓產(chǎn)能,2001年初即實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。由于當(dāng)時(shí)正處于亞洲金融危機(jī)所導(dǎo)致的第五輪行業(yè)蕭條期(見圖1),同行業(yè)其他公司尚未反應(yīng)過來,直至2002年底信越一直享受著300mm晶圓的獨(dú)占利益;SUMCO自1999年成立起便致力于300mm晶圓業(yè)務(wù);而對(duì)于美國(guó)公司MEMC,其對(duì)于300mm晶圓產(chǎn)線的投資甚至開始的更早。早在1997年,MEMC就在美國(guó)與日本工廠都投產(chǎn)了300mm產(chǎn)線,但由于1997年亞洲金融危機(jī)后需求急速下降,擴(kuò)張后產(chǎn)能過剩的矛盾更加突出,再加上此前8吋晶圓之爭(zhēng)中大耗元?dú)猓琈EMC的經(jīng)營(yíng)狀況急轉(zhuǎn)直下。在隨后到來的第六輪繁榮周期中,日本廠商利用這次發(fā)展窗口大力加強(qiáng)300mm晶圓產(chǎn)能建設(shè),最終實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。

表4:各供應(yīng)商主要工藝節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

而單位均攤生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低,再加上下游個(gè)人電腦、手機(jī)等終端強(qiáng)勁需求的拉動(dòng),主要硅晶圓供應(yīng)商又陷入新的一輪擴(kuò)產(chǎn)熱潮。但由于行業(yè)周期性波動(dòng)再疊加2008年金融危機(jī)的影響,在這一時(shí)期硅晶圓行業(yè)遭受了重大打擊,并陷入危機(jī)后近十年的低回調(diào)整中。

圖5:第四階段:21世紀(jì)初硅晶圓行業(yè)的繁榮與蕭條

與此同時(shí),金融危機(jī)后的硅晶圓市場(chǎng)整體增速放緩,由成長(zhǎng)期轉(zhuǎn)入成熟期,收購(gòu)兼并現(xiàn)有企業(yè)成為獲取市場(chǎng)份額的主要手段,行業(yè)集中趨勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)。并且,經(jīng)歷了此前十年的低回調(diào)整,主要硅晶圓供應(yīng)商對(duì)于擴(kuò)產(chǎn)采取了更加謹(jǐn)慎的態(tài)度。雖然硅晶圓行業(yè)仍呈現(xiàn)出繁榮與蕭條交錯(cuò)的周期性波動(dòng)態(tài)勢(shì),但產(chǎn)能過剩所導(dǎo)致的價(jià)格低迷周期及其所帶來的沖擊將更加和緩。

中國(guó)臺(tái)灣的硅晶圓企業(yè)在這一時(shí)期獲得了進(jìn)一步發(fā)展,其中2011年成立的環(huán)球晶圓通過對(duì)其他晶圓供應(yīng)商的收購(gòu),鞏固了市場(chǎng)份額并大幅提高了產(chǎn)能,使得中國(guó)臺(tái)灣在全球硅晶圓市場(chǎng)占據(jù)著越來越重要的地位。

中國(guó)大陸對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重視在這一時(shí)期也得到提升。對(duì)于硅晶圓制造,中國(guó)專注于提高國(guó)內(nèi)硅片產(chǎn)能,以減少對(duì)進(jìn)口的依賴。本地晶圓制造商應(yīng)運(yùn)而生,并進(jìn)行了投資以改進(jìn)制造工藝和技術(shù),已基本實(shí)現(xiàn)6吋及以下小尺寸硅片的國(guó)產(chǎn)替代,國(guó)產(chǎn)化率超過50%;而8吋硅片的國(guó)產(chǎn)替代正在進(jìn)行中;2015年以后部分廠商率先開始了300mm晶圓產(chǎn)能建設(shè),12吋硅片打破國(guó)內(nèi)空白的局面。

此外,值得關(guān)注的是,部分硅晶圓廠商曾一度涉足太陽能業(yè)務(wù)。2010年以前受到各國(guó)政府能源政策的推動(dòng),再疊加行業(yè)繁榮周期,光伏硅片供不應(yīng)求,價(jià)格飛漲,MEMC、SUMCO、SK Siltron、Soitec等廠商在這一時(shí)期都曾將光伏硅片作為戰(zhàn)略投資的重點(diǎn)。不同于半導(dǎo)體硅片,由于光伏硅片本身便作為技術(shù)門檻較低的行業(yè),難以形成長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)從而容易陷入價(jià)格戰(zhàn)的旋渦,故而當(dāng)經(jīng)濟(jì)危機(jī)后市場(chǎng)增速放緩,尤其自中國(guó)憑借成本優(yōu)勢(shì)成為第一大光伏生產(chǎn)國(guó)暨規(guī)則制定者以來,2011年后的光伏硅片價(jià)格更是一降再降。由于缺乏成本競(jìng)爭(zhēng)力,其光伏業(yè)務(wù)無一不維持著極低的邊際利潤(rùn)甚至處于連年虧損狀態(tài),最終走向被剝離的命運(yùn)。

表5:第四階段-市場(chǎng)概況

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

圖6:第四階段:加強(qiáng)300mm產(chǎn)能建設(shè),市場(chǎng)集中度進(jìn)一步提升

數(shù)據(jù)來源:企業(yè)官網(wǎng),根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料自行整理

縱觀半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展史,當(dāng)前全球分工已形成了上游設(shè)計(jì)美國(guó)主導(dǎo)、材料設(shè)備日本領(lǐng)先、代工封測(cè)中國(guó)臺(tái)灣引領(lǐng)的行業(yè)格局。而其中硅晶圓行業(yè)也于一次次的產(chǎn)業(yè)變革中逐步形成了以日本為主導(dǎo),歐美、韓國(guó)、中國(guó)大陸及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)各自開花的市場(chǎng)格局;并且隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展與廠商間的收購(gòu)聯(lián)合,行業(yè)集中度還在持續(xù)提升,市場(chǎng)穩(wěn)定性將進(jìn)一步增強(qiáng)。

通過對(duì)主要硅晶圓供應(yīng)商發(fā)展脈絡(luò)的對(duì)比分析我們可以看到:關(guān)于締造行業(yè)龍頭的重要影響因素,一個(gè)是技術(shù)發(fā)展水平,另外則是對(duì)投資方向與投資時(shí)點(diǎn)的選擇。如何選擇正確的投資時(shí)點(diǎn),行業(yè)的周期性視角則至關(guān)重要。

下一章將立足第四發(fā)展階段,將近20年主要硅晶圓供應(yīng)商的財(cái)務(wù)與經(jīng)營(yíng)狀況加以對(duì)比分析,在行業(yè)周期的視角下提供更為詳盡的解讀。

 

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