半导体周报0908-人形机器人丝杆
半导体周报-0908
一、行业新闻及动态
1、半导体设计：
《科创板日报》23日讯，三星电子宣布，在2纳米半导体工艺中采用后端供电（BSPDN）技术，预计将使芯片面积减少约17%，同时性能提升8%，功耗降低15%。这是三星首次公开BSPDN技术的性能改进数据。
《科创板日报》23日讯，SK海力士将于9月台湾国际半导体展(Semicon Taiwan)时宣布与台积电、英伟达更紧密的合作计划，并聚焦下一代HBM技术的开发，进一步掌握AI服务器关键零组件。
《科创板日报》19日讯，近期，晶合集成与思特威联合推出业内首颗1.8亿像素全画幅（2.77英寸）CIS，为高端单反相机应用图像传感器提供更多选择。据晶合集成介绍，该产品具备1.8亿超高像素8K 30fps PixGain HDR模式高帧率及超高动态范围等多项领先性能，可兼容不同光学镜头，其成功试产，意味着国内公司打破了日本索尼在超高像素全画幅CIS领域长期垄断地位。
2、 半导体制造及封测：
《科创板日报》19日讯，据Omdia最新人工智能笔记本电脑出货预测数据显示，微软ARM芯片架构（ARM-base）的AI笔记本电脑出货量将从2024年的八十万台跃升至2029年的五千八百八十万台，预计年复合成长率（CAGR）从2024年至2029年将高达136%。微软ARM芯片架构的AI笔记本电脑在2025年出货年增长率将达到533.5%。
财联社8月19日电，聚灿光电在互动平台表示，Mini/Micro LED均为上游生产的众多LED芯片类型中的一种，公司目前Mini LED已批量出货，Micro LED产品处于客户验证流程。
3、 其他：
《科创板日报》23日讯，TechInsights关于电池电动汽车(BEV)的基线增长预测显示，到2030年，汽车半导体市场将实现近乎翻倍的增长。即使在BEV市场下滑的假设情景下，我们仍将看到半导体需求的显著增加，这得益于外围系统（如自动驾驶辅助技术(ADAS)和信息娱乐系统）的日益复杂和演进。
财联社8月23日电，根据Counterpoint Research的《晶圆代工季度追踪报告》，全球晶圆代工产业在2024年第二季度的营收季增长约9%，年增长约23%。尽管整体逻辑半导体市场复苏较慢，该产业仍然表现强劲的反弹。AI需求依然强劲，CoWoS供应持续紧张，未来的产能扩充将集中于CoWoS-L。非AI需求的复苏进展缓慢，预计2024年第三季度智慧型手机市场的旺季表现不如预期，汽车和工业需求的复苏也将延后。台积电预计，2025年5/4nm和3nm先进制程的晶圆价格可能上调，这对晶圆代工产业的长期成长是个好兆头。
2. 本周话题——丝杆
丝杠是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。丝杠主要分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠；在机械传动中多有应用场景。滚动丝杠包含滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。
丝杠系列产品的主要分类
资料来源：前瞻产业研究院，国联证券研究所
1） 滑动丝杠：螺纹常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹和三角形螺纹等，其中梯形螺纹由于工艺性更好（能够用高效率的方法进行加工），较三角形等其他种类更为主流。滑动丝杠广泛用于普通级机床的进给传动、分度机构和一般机械的丝杆传动等。从优缺点看，滑动丝杠结构简单，加工方便，具备价格成本优势，具备自锁能力，但滑动丝杠摩擦力较大，传动效率通常较滚动更低，一般为 30-40%，磨损快，定位精度和轴向刚度较差。
梯形丝杠
资料来源：云点工业
2） 滚动丝杠：分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。
滚珠丝杠：主要由螺杆（螺纹轴）、螺母、滚珠、滚珠回流管、预压片、防尘片等部分组成。滚珠丝杠的工作原理是，当输入旋转运动或线性运动的力传递到螺纹轴时，滚珠被迫滚动在螺纹轴与螺母之间的导槽上，由于滚珠的滚动摩擦系数较小，摩擦损失也相对较小，因此滚珠的转动效率较高，为了防止滚珠从螺母的另一端跑出来并循环利用滚珠，滚珠在丝杆上滚过数圈后，通过回程引导装置（例如回流管）又逐个返回到丝杆与螺母之间的滚道，构成一个闭合的循环回路。通过滚珠的滚动，输入的运动力可以平稳传递到螺母，从而实现线性或旋转运动。这其中，防尘片是用来防止外部污染物进入螺母内部。除上述结构外，由于负载需要作高精度的直线运动，通常滚珠丝杆机构必须与直线导轨或直线轴承等直线导向部件同时使用。滚珠丝杆机构用于驱动负载前后运动，而直线导向部件则对负载提供直线导向作用。
行星滚柱丝杠：原理类似滚珠丝杠，滚子代替滚珠用作螺母和丝杠之间的载荷传递元件，滚子通常带有螺纹。结构上看，标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成。其在主螺纹丝杠周围布置了 6 到 12 个螺纹滚柱丝杠，滚柱螺母内使用的是小螺纹滚柱与主丝杠相互啮合，这时的螺母结构类似行星齿轮箱。为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动速度。
对比应用广泛的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备一定优势。相比于滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备 ：a） 滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱同时参与啮合，接触点多，在给定的体积内，比滚珠丝杠拥有更多立足点，在给定额定载荷下，滚柱丝杠可以更紧凑，因此其在相同直径下较滚珠丝杠承载能力提高 6 倍、相同负载下节省 1／3 空间、寿命提高 14倍、工作环境温度范围提高 2 倍；b）与滚珠丝杠传动效率相当，润滑良好的情况下效率可达 90％；c）滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此加速、旋转和减速的能力更强；d）采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小；e） 可在恶劣环境下使用；f）拆卸方便。
行星滚柱丝杠制造核心壁垒在于螺母内螺纹的精磨加工。目前大部分丝杠厂商采取先车后磨的方式进行加工制造生产，先把原材料车削到一定精度，再用专用丝杆磨床先粗磨再精磨到所需要的尺寸。其中粗车、铣等环节对精度要求低，相对简单，难度较高的环节是后端的精磨加工部分。需要精磨加工的零部件包括丝杠、滚柱、螺母及内齿圈等，其中螺母壁薄容易损坏，再加上螺纹位于内部导致砂轮磨削时需要保持一定倾角，对稳定性要求较高，因此内螺纹精磨加工是整个工艺流程中壁垒最高的环节。
磨床是丝杠制造的核心设备。丝杠制造过程中的工艺流程主要分为车、铣、磨三种加工工序，分别对应设备为车床、铣床、磨床，由于磨削直接影响到产品的加工精度、表面质量及生产效率，因此磨床是丝杠制造过程中的核心设备。
3）静压丝杠：静压丝杠由丝杠和螺母组成，丝杠为外螺纹，螺母为内螺纹。由于螺母与丝杠之间的摩擦力较大，需要较大的力才能使螺母运动，为了减小摩擦力，静压丝杠引入了液体静压原理。在静压丝杠中，液体静压力会均匀作用在螺纹的每一个点上，将外力均匀地传递给螺纹和丝杠。这样即使在高负载情况下，螺纹和丝杠之间的摩擦力也能得到有效的减小，从而降低了推动螺母所需的力，并提高了传动效率。静压丝杠的摩擦力和速度成正比，低速时几乎为零，且静压丝杠极佳的减震性能完全消除了滚动丝杠具有的振动和噪音。因此，静压丝杠更适合于需要较高进给推力以及具有频繁振动负载的场合。
数控机床、机器人和汽车是丝杠主要下游需求。丝杠上游主要包括丝杆、螺母、滚珠等核心零部件供应，以及钢材为主的原材料。材料端看，丝杠采用的钢材特性差异大，特种合金调质钢成为高端市场材料端的技术壁垒。国内标准行星滚柱丝杠采用的是马氏体不锈钢，满足一般强度、硬度和耐磨性等要求，但是高硬度和抗腐蚀较难满足，国外合金调制钢为原材料，具备较好的疲劳极限和抗多次冲击能力。下游看，丝杠下游应用场景广泛，目前数控机床、机器人和汽车为最主要应用场景，2021年滚动功能部件在行业内应用分别占比 54.3%、49.7%、34.3%和 30.9%。
采购滚动功能部件应用行业分析
资料来源：王有雪《第三届滚动功能部件用户调查分析报告（2021）》，国泰君安证券研究
全球滚珠丝杠市场规模超百亿元，国内市场规模有望持续增长。据秦川机床公告数据，2015 年全球滚珠丝杠市场规模为 12.23 亿美元，2021 年增至 17.5 亿美元，CAGR 为 6.15%，预计 2022 年有望达到 18.59 亿美元。中国是滚珠丝杠重要的消费市场之一，国内市场占全球总市场份额约 20%左右。2015 年我国滚珠丝杆市场规模为 14.31 亿元，2021 年增至 25.55亿元，CAGR 为 10.14%，增速明显高于全球市场增速，预计 2022 年国内市场规模有望达到 27.7 亿元。
全球滚珠丝杠市场规模及同比增速
国内滚珠丝杠市场规模及同比增速
资料来源：国泰君安证券研究
行星滚柱丝杠受限于制造工艺难度高，生产设备有限，市场需求有限，其市场规模远低于滚珠丝杠，远期看，行星滚柱丝杠导入汽车和人形机器人产业链，市场空间有望大幅提升。根据 Persistence Market Research的统计数据，2022 年滚柱丝杠全球市场规模接近 2.85 亿美元，预计 2023年增长至 3 亿美元
滚柱丝杠全球市场规模（亿美元）
资料来源：立鼎产业研究网，国泰君安证券研究
丝杠主要的下游细分市场：机床、汽车和机器人市场空间广阔。
1） 机床：国内机床市场空间超千亿，传动部件占机床原材料采购成本约 20%。据中国机床工具工业协会数据，2022 年我国金属加工机床消费额为 1843.6亿元（274.1 亿美元），其中金属切削机床消费额 1240.3 亿元，金属成形机床消费额 603.3 亿元。丝杠导轨作为机床的核心传动部件，其重要性不言而喻。一般而言，不同类型和用途的机床所需的丝杠数量不同，如车床，一般配置 2 根丝杆，分别是主轴丝杆和伺服丝杆。铣削机床和加工中心等，则需要使用 3-4 个丝杆，分别是主轴丝杆、伺服丝杆、进给轴丝杆和进给速度丝杆，以实现更为复杂的加工操作。根据科德数控和纽威数控的原材料采购占比数据，传动类材料占比基本在 20%左右。
机床用丝杠市场规模 2030 年有望达到 47 亿元。考虑到传动部件还包括主轴、导轨、轴承和齿轮等其他零部件，且国内机床市场正处于国产替代和更新替换周期的驱动下，做出如下假设：1）假设丝杠的价值量占机床价值量 2%；2）以 2022 年国内机床消费额为基准，预计每年的行业规模增速为 3%。根据我们测算，2022 年机床用丝杠市场规模达到 37 亿元，2030 年市场规模有望达到 47 亿元。
机床用丝杠市场规模有望达到 47 亿元
资料来源：国泰君安证券研究
2） 汽车：新能源汽车是主要的丝杠应用领域，刹车+制动+转向是核心。在传统燃油车中，丝杠通常被视为一个可选项，主要被高端的欧洲汽车品牌采用。随着新能源汽车渗透率的不断提升，由于其车辆内部结构和特性的变化，以及汽车向智能化、尤其是 L4 级别以上的自动驾驶方向发展，丝杠逐步成为不可或缺的标准配置。目前，在新能源汽车中，丝杠可以被应用于刹车系统、制动系统以及转向系统等关键部位：1）转向：当前以 EPS 为主流，其中 R-EPS 采用滚珠丝杠。电机越靠近转向器，助力传动效率越高，因而电动助力转向系统中 C-EPS、DP-EPS 到 R-EPS 转向性能依次提升。R-EPS 工作噪音小，助力响应速度快，可实现更大助力，但价格较贵，适用车型为中大型、大型车；2）制动：滚珠丝杠应用于线控制动、EMB。传统液压机械制动以及电子液压制动，制动时其液压管路油压上升与下降都会存在迟滞现象，导致制动延缓、事故率高，并且复杂的液压管路也增加布置 ABS、ESP 等控制装置的难度。EMB 具有结构简单、体积小、响应速度快、控制精度高、节能环保等优点，更容易进行集成，简化结构、节省空间。3）驻车：EPB 用滚珠丝杠副用于中高档汽车电子驻车系统。目前市场 EPB 制动钳主要采用两种传动方式，一种是螺纹传动，另一种是滚珠丝杆转动，与传统螺纹传动相比，使用滚珠丝杠的 EPB 具备效率高、寿命长、运动平稳等优势。EPB 用滚珠丝杠副是电子驻车系统中的核心传动部件，质量关乎整套电子驻车系统的性能。
车用丝杠市场空间有望超过 50 亿元，制动和转向系统是主要需求。根据新能源汽车所用丝杠需求，对车用丝杠市场进行测算，并做出如下假设：1）2023 年根据乘联会数据，乘用车全年销量 2170 万台，新能源车销量 774 万台，乘用车按照每年 1%增长速度计算，新能源渗透率到 2025 年提升到 48%；2）仅考虑新能源汽车使用丝杠，且制动系统和转向系统使用滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两种，驻车系统使用滚珠丝杆；3）假设行星滚柱丝杠单价 1500 元，滚珠丝杠单价 400 元，并逐年降低。整体看，制动系统用丝杠市场规模最大，2025 年有望达到 55 亿元，车用丝杠合计市场规模 2025 年有望超 70 亿元。
3） 人形机器人：人形机器人产业化进程加速，行星滚柱丝杠是核心零部件。随着特斯拉发布人形机器人 Optimus 以来，国内外产业资本加速拓展人形机器人领域布局。国外方面，三星于 2023 年年初向本土机器人厂商 Rainbow Robotics 投资 590 亿韩元（约 3.19 亿人民币）；OpenAI 领投挪威机器人公司 1X Technologies；谷歌也推出了具备自我改进与提升功能的机器人AI 智能体 RoboCat。国内方面，小米、傅里叶、宇树、智元、开普勒等厂商相继推出其人形机器人产品。从零部件角度看，作为人形机器人的核心零部件之一，丝杠主要用于直线关节部位，将电机的旋转运动转换为直线运动，而行星滚柱丝杠具有高承载、小体积、快响应、低噪音、高精度等优点，非常适合在人形机器人中使用。特斯拉人形机器人中，其线性执行器中就使用了反向式行星滚柱丝杠。
人形机器人放量有望为丝杠市场带来百亿增量空间。根据特斯拉Optimus 的参数，1 台人形机器人拥有 14 个线性执行器，做出如下假设：1）预计一台人形机器人其需要用到 4 个梯形丝杠和 10 个行星滚柱丝杠；2）预计人形机器人远期销量能达到 100 万台；3）假设行星滚珠丝杠单价远期随着国产化进程提速，价格降至 1000 元。整体看，人形机器人放量将为丝杠市场带来百亿增量。
竞争格局：
供需缺口明显，经济型产品竞争加剧导致使价格下滑。据华经产业研究院数据，国内滚珠丝杠供需缺口持续增长，2021 年达到 423 万套，2022年或增至 448 万套。在滚珠丝杠市场，国内竞争加剧不断加剧，外资品牌在经济型产品市场份额不断发力，滚柱丝杠行业市场价格总体呈现出明显的下降态势。国内滚珠丝杠价格从 2014 年 225 元/套的均价下降至2021 年的 181 元/套。
2015-2022 年国内滚柱丝杠供需缺口明显
资料来源：华经产业研究院，国泰君安证券研究
外资品牌占据绝对主导地位，行业集中度高。为了实现高速或精密的加工，除在机床设备的结构刚性进行加强设计外，必须同时具备高速主轴系统和高速进给系统，才能达到材料切削过程的高速化，这对于企业的制造能力和设计能力都有较高的要求，从市场竞争格局看，目前全球主要的滚珠丝杠厂商有 NSK、THK、SKF 等欧美日和中国台湾企业，CR5市占率达到约 46%。而在加工难度更高的行星滚柱丝杠市场，根据王有雪《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》的数据，2022 年，GSA（含旗下 Rollvis）公司在中国市场份额超 50%，处于绝对主导地位。
外资品牌主导中国行星滚柱丝杠市场
资料来源：王有雪《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》，国泰君安证券研究
国内企业在行星滚柱丝杠的制造上仍存在较大差距，国产替代进程有望提速。国内企业行星滚柱丝杠产品布局较为稀缺，且在导程精度、最大动载荷、最大静载荷等性能方面与国外同规格产品存在差距。国外领先企业在精度方面能够实现各种精度的全覆盖，在最大动载荷、最大静载荷方面，国内的行星滚柱丝杠产品显著低于国外同规格产品，长期看，行星滚柱丝杠国产替代空间大。
国内主要行星滚柱丝杠企业正逐步实现量产突破。国内恒立液压、贝斯特、北特科技等公司长期深耕在精密机械、汽车零部件的生产领域，其中恒立液压的丝杠产品在 2024 年试生产，贝斯特、长盛轴承已实现滚珠丝杠的量产。近年来，国产滚珠丝杠和行星滚柱丝杠或逐步实现国产替代突破，市场份额有所提升。
国内主要进军丝杠业务的公司主要经营情况及当前进展
资料来源：各公司公告，国联证券研究所
丝杆核心壁垒：磨床设备
磨床是丝杠加工的核心技术壁垒，其精度直接决定丝杠精度。磨床通过其高度精密的磨削技术，能够确保丝杠具有一致的螺纹形状和尺寸，从而提供可靠的性能和稳定的运动控制。磨床的精度直接影响着丝杠的轴向精度、径向精度以及整体的运动平稳性。精准的磨床工艺能够确保丝杠的每个螺纹都具有高度一致的规格，防止误差和振动，从而提高了系统的可靠性和工作精度，因而磨床其高精度的加工能力直接决定了丝杠最终的性能和质量。
从零件构造角度看，丝杠是牙型角为 90°的多头螺纹，行星滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，而螺母具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹，因而不同部件涉及磨床类型存在差异，主要设备需用到内螺纹磨床、外螺纹磨床、外圆磨床（进行丝杠轴外圆表面加工）、中心磨床（丝杠轴中心孔加工）、平面磨床（螺杆端面加工）等。
海外厂商在外螺纹磨床上技术领先。瑞士的 Tornos、Studer，德国的Schütte、Kapp Niles，日本的三菱重工等厂商在外螺纹磨床领域都拥有显著的技术实力和市场份额。这些公司通过不断创新，提升外螺纹磨床的精度、效率和可靠性，以满足制造行业对高精密内螺纹加工的不断提升的需求。
行业先进的外螺纹磨床产品主要来自欧洲和日本
资料来源：各公司官网，国泰君安证券研究
国内磨床企业奋起直追，国产替代进程有望提速。丝杠受益人形机器人行业蓬勃发展，也带动了国内磨床行业的发展。虽然在内螺纹磨床结构、返向装置在螺母内的对中安装精度、大螺旋升角的干涉、多头内螺纹的分度精度等方面国内磨床与国际先进产品尚存在不小差距，但磨床在运作效率、精度等方面也均已取得一定突破，存在一定国产替代的基础。国内数控螺纹磨床的骨干企业汉江机床、广州敏嘉、上海机床等自主设计和研发了具有世界先进水平的内螺纹磨削加工中心，此外日发精机、华辰装备、浙海德曼等机床公司也开始切入丝杠磨床赛道。上海机床厂自主开发的 SK7420 全新系列数控丝杠磨床，可磨削 P1 级甚至更高精度的滚珠丝杠，为我国高精度丝杠副的生产制造提供有效的设备保障。秦川机床子公司汉江机床SGK7432×20/1 高精度数控丝杠磨床磨削精度能稳定达到 P1 级。
大陆相关企业：
北特科技：
公司主要业务包括底盘零部件业务、铝合金轻量化业务、空调压缩机业务三大板块。底盘零部件业务在更为细分的转向器齿条、减震器活塞杆行业内，处于绝对领先的市场龙头地位；空调压缩机业务在国内商用车领域也处于细分行业龙头地位。主要产品包括齿条、齿轮、扭力杆、蜗杆、输出轴、输入轴、活塞杆、CDC 控制阀壳体、泵体、集成阀岛、电池包连接块、Yoke 类件、控制臂、上气室端盖、传统燃油车压缩机、新能源电动压缩机、整车集成式热管理系统等。
贝斯特：
公司主营业务为精密零部件和智能装备及工装产品的研发、生产及销售。主要产品包括涡轮增压器精密轴承件、涡轮增压器叶轮、涡轮增压器中间壳、发动机缸体等关键汽车零部件。公司全资子公司无锡宇华精机全面布局直线滚动功能部件，产品包括高精度滚珠/滚柱丝杠副、高精度滚动导轨副等，瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业、机器人领域等市场进行大力开拓，目前公司生产的滚珠丝杠副、直线导轨副等产品首台套已实现成功下线，部分产品已在送样验证过程中。
五洲新春：
公司主营业务为轴承、精密机械零部件和汽车安全系统、热管理系统零部件的发、生产和销售，主要产品为精密零配件和轴承产品。汽车领域，公司已研发功新能源汽车电子助力转向系统（EPS）中控制精度最高的齿条式电动助力转系统（REPS）所需的丝杠螺母轴承组件，此外公司还研发成功新能源汽车电驻车（EPB）、电子机械刹车（EMB）及电子液压刹车系统（EHB）等领域滚丝杠产品。根据公司 2023 年半年报披露，公司在滚珠丝杠业务上与下游现及潜在客户的沟通进展顺利，部分产品实现量产，未来将作为公司新的利润增点。机器人领域，公司已经研发成功机器人谐波减速器柔性薄壁轴承、RV 减器圆锥滚子轴承及各类定制化球轴承，并积极研发交叉滚子轴承。公司已经与流机器人系统供应商在机器人轴承及滚柱丝杠、滚珠丝杠等领域开展深入的技交流。
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参考资料：
国泰君安证券：人形机器人带来新机遇，丝杆行业国产替代加速进行
国联证券：丝杠国产替代在即， 人形机器人带来星辰大海
国海证券：人形机器人丝杠行业深度报告：核心传动精密部件，国产化未来可期
