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芯片的生長素!電子特氣和光刻膠,國產替代全面開啟

 電子化工材料(Electronic Chemical Materials,簡稱 ECM),指為集成電路和分立器件、電容、電池、印制線路板、液晶顯示器等電子元器件的生產而使用的各種精細化學品,是電子材料和精細化學品結合的高新技術產品。電子化工材料處于電子信息產業鏈的前端,沒有高質量的電子化工材料就不可能制造出高性能的電子元器件,在電子產業中的作用相當于“生長激素”。

  本期的智能內參,我們推薦東興證券的研究報告《電子化工材料進口替代實質性突破系列專題報告》,詳解電子特氣和光刻膠兩大電子化工材料的技術特點、行業現狀和國產化趨勢 。如果想收藏本文的報告(電子化工材料進口替代實質性突破系列專題報告),可以在智東西(公眾號:zhidxcom)回復關鍵詞“nc430”獲取。

  本期內參來源:東興證券

  原標題:

  《電子化工材料進口替代實質性突破系列專題報告》

  作者:劉宇卓 羅四維

  電子特氣

  電子特種氣體(簡稱:電子特氣)是特種氣體的一個重要分支,是集成電路(IC)、顯示面板(LCD、OLED)、光伏能源、光纖光纜等電子工業生產中不可或缺的關鍵性原材料,廣泛應用于薄膜、光刻、刻蝕、摻雜、氣相沉積、擴散等工藝,其質量對電子元器件的性能有重要影響。

  ▲電子特氣是氣體行業的重要分支

  氣體的產品種類豐富,電子元器件在其生產過程中對氣體產品存在多樣化需求。例如集成電路制造需經過硅片制造、氧化、光刻、氣相沉積、蝕刻、離子注入等工藝環節,這個過程中需要的高純特種氣體和混合氣體的種類超過 50 種,且每一種氣體應用在特定的工藝步驟中。此外,在顯示面板、LED、太陽能(000591,股吧)電池片等器件的制造中的不同工藝環節均會用到多種特種氣體。

  ▲電子氣體在不同電子元器件制造工藝中的應用

  電子特氣在其生產過程中涉及合成、純化、混合氣配制、充裝、分析檢測、氣瓶處理等多項工藝技術,下游客戶對產品質量要求較高。尤其是極大規模集成電路、新型顯示面板等精密化程度非常高的應用領域,對特種氣體的純化、雜質檢測、儲運技術都有著嚴格的要求。

  氣體純度:特種氣體要求超純、超凈。純度每提升一個 N 以及粒子、金屬雜質含量濃度每降低一個數量級都將帶來工藝復雜度和難度的顯著提升。例如,12 吋、90nm 制程的集成電路制造技術要求電子特氣的純度要在 5N~6N 以上,有害的氣體雜質濃度需要控制在 ppb(10-9);在更為先進的28nm 及目前國際一線的 6nm~10nm 集成電路制程工藝中,電子特氣的純度要求更高,雜質濃度要求甚至達到 ppt(10-12)級別。

  配比的精度(混合氣):隨著混合氣中產品組分的增加、配制精度的上升,常要求氣體供應商能夠對多種 ppm(10-6)乃至 ppb(10-9)級濃度的氣體組分進行精細操作,其配制過程的難度與復雜程度也顯著增大。

  氣體儲運:保證氣體在存儲、運輸、使用過程中不會被二次污染,對氣瓶內部、內壁表面的處理涉及多項工藝,均依賴于長期的行業探索和研發;此外,對于某些具有高毒性或危險性的氣體,需要使用負壓氣瓶儲運,以減少危險氣體泄露風險。

  氣體分析檢測:由于需要檢測的雜質含量低至 ppb 級別,需要使用特殊的氣相色譜、ICP-AES、ICP-MS 等非常規分析方法。

  電子特氣市場規模大。據卓創資訊統計,2017 年全球特種氣體的市場規模達 241 億美元,其中電子領域(包括集成電路、顯示面板、光伏能源、光纖光纜等)的特種氣體市場規模預計超過 100 億美元;中國特種氣體的市場規模約 178 億元,其中電子領域的特種氣體市場規模約 100 億元。

  半導體用電子特氣行業增速高。在半導體領域,電子特氣在半導體制造的材料成本中占比高達 13%,是僅次于硅片的第二大材料。僅從集成電路用電子氣體來看,據中國產業信息網的數據,2018 年全球集成電路用電子氣體的市場規模達到 億美元,同比增長 16%,中國集成電路用電子特氣的市場規模約 億美元。

  ▲2018 年全球半導體制造材料成本結構

  ▲全球集成電路用電子氣體市場規模

  基于未來幾年中國大陸地區半導體、顯示面板等主要電子元器件的新增產能較多,以及電子化工材料的進口替代需求強烈,國內電子特氣行業將迎來高速增長。

  半導體、顯示面板等電子產業鏈東移,中國電子產業市場規模急劇擴張。我國已成為全球最大的半導體生產國,且 2017~2020 年間中國大陸新建半導體晶圓廠數量占全球新增總數高達 42%;中國大陸液晶面板出貨量已在 2019 年 1 季度躍居全球第一,全球占比超過 50%。

  海外壟斷格局明顯,國產替代迫在眉睫。目前全球電子特氣市場被幾家海外龍頭企業壟斷,國內電子特氣的進口依存度超過 80%,在半導體、顯示面板產業鏈國產化趨勢下,上游原材料受制于人的 局面亟待改變。

  由于技術壁壘高、制備難度大,目前全球電子特氣市場被幾家海外龍頭企業壟斷。主要公司有美國空氣化工產品公司、法國液化空氣集團、日本大陽日酸株式會社、美國普萊克斯公司、德國林德集團(2018年與美國普萊克斯公司合并)等,合計占據全球市場 94%的份額。中國的電子特氣市場中,外資巨頭也牢牢控制了 85%的市場份額,進口替代需求強烈。

  ▲全球電子特氣市場格局

  ▲國內電子特氣市場格局

  進口替代的驅動因素主要為技術突破。國產工業氣體的技術已經較為成熟,但達到電子級氣體的產品仍然較少。部分國產產品已實現技術突破,部分產品已經達到半導體生產用電子氣體的技術水平和工藝要求,比肩國際先進水平。

  國內企業已有突破,部分電子特氣產品已進入半導體產業鏈。相比海外公司較高的行業集中度,國內電子特氣產能相對分散,細分領域公司數量較多。相對海外巨頭每家公司都有眾多電子特氣產品類別批量進入半導體制造產業鏈,國內企業目前每家公司僅有個別電子特氣產品打入本土半導體產業鏈,尚與海外公司有較大差距。

  光刻膠

  光刻膠是電子領域微細圖形加工的關鍵性材料,在半導體、LCD、PCB 等行業的生產中具有重要作用。光刻膠是利用光化學反應,經光刻工藝將所需要的微細圖形從掩膜板轉移到代加工基片上的圖形轉移介質,是光電信息產業的微細圖形線路加工制作的關鍵性材料。

  在微電子制造業精細加工從微米級、亞微米級、深亞微米級進入到納米級水平的過程中,光刻膠起著舉足輕重的作用。光刻膠自 1959 年被發明以來就成為半導體生產中最核心的工藝材料之一;隨后光刻膠被改進運用到 PCB 板的制造工藝,成為 PCB 生產的重要材料;20 世紀 90 年代,光刻膠又被運用到平板顯示的加工制造,對平板顯示面板的大尺寸化、高精細化、彩色化起到了重要的推動作用。

  按照下游應用,光刻膠可分為半導體用光刻膠、LCD 用光刻膠、PCB 用光刻膠等,其技術壁壘依次降低。相應地,PCB 光刻膠是目前國產替代進度最快的,LCD 光刻膠替代進度相對較快,半導體光刻膠目前國產技術較國外先進技術差距最大。

  在半導體領域,光刻工藝的成本約為整個芯片制造工藝的30%,耗時約占整個芯片工藝的40%~50%,是芯片制造中最核心的工藝。光刻膠的質量和性能是影響集成電路性能、成品率及可靠性的關鍵因素。光刻膠材料及其配套化學品約占 IC 制造材料總成本的 12%左右,是繼硅片、電子氣體的第三大 IC 制造材料。半導體用光刻膠的曝光波長由寬譜紫外向 g 線(436nm)→i 線(365nm)→KrF(248nm)→ArF(193nm)→EUV()的方向移動,波長越小,加工分辨率越佳。

  在 LCD 領域,彩色光刻膠和黑色光刻膠是制備彩色濾光片的核心材料,占彩色濾光片成本的 27%左右。彩色濾光片是 TFT-LCD 實現彩色顯示的關鍵器件,占 TFT-LCD 面板制造成本的 15%左右。

  在 PCB 領域,光刻膠主要包括干膜光刻膠、濕膜光刻膠、光成像阻焊油墨,約占 PCB 制造成本的3%。

  ▲光刻膠的分類

  光刻膠的組成成分主要為感光劑(光引發劑)、聚合劑(感光樹脂)、溶劑與助劑構成。其中,光引發劑是光刻膠的最關鍵成分,對光刻膠的感光度、分辨率起著決定性作用。

  ▲光刻膠的組成成分

  光刻膠產品是電子化工材料中技術壁壘最高的材料之一,研發難度極大。

  純度要求高、工藝復雜:由于光刻膠用于微米級甚至納米級圖形加工,光刻膠產品需要嚴格控制質量。光刻膠及其專用化學品的化學結構特殊,品質要求高,微粒子及金屬離子含量極低,生產工藝復雜,其研發和生產具有較高的技術門檻。

  配方技術:光刻膠的品種非常多,針對不同應用需求,通過調整光刻膠的配方,滿足差異化的應用需求,是光刻膠制造商最核心的技術。

  光刻機的配套需求:光刻膠需要有相應的光刻機與之配對調試,資金壁壘較高。目前全球光刻機核心技術處于壟斷狀態,只有荷蘭ASML 公司可制造 EUV 光刻機,售價超過 1 億歐元;而技術水平稍低的 DUV 光刻機,售價為 2000~5000 萬美元;目前國內只有一家企業可制造光刻機,且技術等級較低。

  體量壁壘:光刻膠企業存在較高的資金壁壘,相對于國內廠商,國外光刻膠廠商的公司規模更大,具有資金和技術優勢,供應產品齊全,光刻膠種類豐富,同時有著較為全面的配套化學品,方便下游客戶采購和共同研發合作。

  光刻膠全球市場規模近 90 億美元,中國本土供應占比僅有 10%左右,發展空間巨大 。

  隨著電子信息產業發展的突飛猛進,光刻膠市場總需求不斷提升。2019 年全球光刻膠市場規模預計近90 億美元,自 2010 年至今 CAGR 約 ,預計未來 3 年仍以年均 5%的速度增長,預計至 2022 年全球光刻膠市場規模將超過 100 億美元。

  中國光刻膠市場需求增速高于國際平均,但中國本土供應量在全球的占比僅有 10%左右,發展空間巨大。受益半導體、顯示面板、PCB 產業東移的趨勢,2019 年我國光刻膠市場本土供應量約 70 億元,自 2011年至今 CAGR 達到 11%,遠高于全球平均 5%的增速,但市場規模全球占比僅為 10%左右,發展空間巨大。2017 年我國光刻膠需求量為 8 萬噸,產量為 萬噸,供需缺口 萬噸,其中中國本土的光刻膠產量僅有 萬噸,僅占中國產量的 58%。

  全球市場中,半導體、LCD、PCB 用光刻膠的供應結構較為均衡;但中國市場中,本土供應以 PCB 用光刻膠為主,LCD、半導體用光刻膠供應量占比極低。

  ▲全球光刻膠市場規模

  ▲中國光刻膠市場本土供應量

  ▲中國光刻膠市場供需情況

  ▲中國光刻膠需求對外依存度

  ▲全球光刻膠市場結構

  ▲中國本土企業光刻膠生產結構

  半導體是光刻膠最重要的應用領域。光刻和刻蝕技術是半導體芯片在精細線路圖形加工中最重要的工藝,決定著芯片的最小特征尺寸。光刻工藝的成本約為整個芯片制造工藝的 30%,耗時約占整個芯片工藝的40%~50%,是芯片制造中最核心的工藝。光刻膠及其配套化學品在芯片制造材料成本中的占比高達 12%,是繼硅片、電子氣體的第三大 IC 制造材料。

  半導體光刻膠是光刻膠中最高端的品種,技術難度最高。自 20 世紀 80 年代開始,根據所使用的光源不同,光刻技術經歷了從紫外(UV,g 線 436nm 和 i 線 365nm)到深紫外(DUV,248nm 和 193nm)再到下一代的極紫外(EUV,)的發展過程。

  光刻膠市場需求快速增長。隨著半導體線路圖形越來越小,光刻工藝對光刻膠的需求量也越來越大。據測算,2018 年全球半導體用光刻膠市場規模約 13 億美元,預計未來 5 年年均增速約 8%~10%;中國半導體用光刻膠市場規模約 23 億元人民幣,預計未來 5 年年均增速約 10%。

  ▲全球半導體制造材料成本結構

  ▲全球半導體光刻膠分地區市場份額

  ▲全球半導體光刻膠市場規模

  ▲中國半導體光刻膠市場規模

  半導體光刻膠各品種中,目前 g 線和 i 線光刻膠的市場份額較大,ArF 光刻膠市場增速最快。

  紫外光刻膠:g 線和 i 線光刻膠的使用量目前占據 24%的市場份額,但二者對應的半導體制程節點均為早期。未來汽車電子物聯網等產業的發展將一定程度增加 g 線、i 線光刻膠的需求。

  深紫外光刻膠:KrF、ArF 光刻膠對應的制程節點較為先進,目前合計占有 63%的市場份額。隨著精細化需求的增加,預計未來 KrF 光刻膠不斷增長并逐漸替代 i 線光刻膠;隨著 12 吋晶圓生產線的大批量興建和多次曝光工藝的大量應用,預計未來 ArF 光刻膠將快速成長。

  極紫外光刻膠:EUV 光刻膠的出現突破了 10nm 分辨率的瓶頸,但目前極紫外光刻膠實現產業化尚需時日,僅有少數幾家大型海外公司擁有此項技術。

  目前 KrF 和 ArF 光刻膠的核心技術基本被日本和美國企業壟斷,合計市場份額高達 95%以上。日、美企業在高分辨率光刻膠領域的技術實力遙遙領先中國本土企業。東京應化、陶氏化學、合成橡膠、富士膠片、住友化學等國際一流企業均已實現 ArF 光刻膠的量產,且在 EUV 光刻膠有所布局。

  我國半導體光刻膠市場中,本土企業市占率極低,技術差距較大。2017 年中國半導體光刻膠市場份額占全球的 32%,居世界首位,但適用于 6 吋硅片的 g 線/i 線光刻膠的自給率約為 20%,適用于 8 吋硅片的 KrF 光刻膠的自給率不足 5%,而適用于 12 吋硅片的 ArF 光刻膠完全依賴進口。

  全球 LCD 光刻膠市場規模約 23 億美元,未來增速約 4% 。彩色濾光片用的光刻膠占 LCD 面板材料成本的 4%左右。彩色濾光片是 LCD 彩色顯像的關鍵部件,其成本占整個彩色 LCD 面板制造成本的 15%左右,彩色濾光片的核心制造材料是光阻(彩色光刻膠和黑色光刻膠),合計占彩色濾光片材料成本的 27%左右,其中黑色光刻膠占比 6~8%、彩色光刻膠占比 20%左右。

  LCD 面板領域需要的光刻膠品種還包括觸摸屏用光刻膠、TFT 正性膠等,這些品種用量較小。

  LCD 光刻膠全球市場規模約 23 億美元,其中中國市場規模約 9 億美元。根據智研咨詢數據,2019 年全球 LCD 用光刻膠市場規模約 23 億美元,過去 5 年平均增速在 4%左右,預計未來 3 年增速也在 4%左右。2019 年中國 LCD 面板產能占全球比重已達 40%左右,據此測算中國 LCD 光刻膠市場規模約 9億美元。

  ▲全球半導體光刻膠市場規模

  ▲LCD 彩色濾光片成本結構

  LCD 光刻膠的全球供應集中在日本、韓國、中國臺灣等地區,海外企業市占率超過 90%。彩色濾光片所需的高分子顏料和顏料的分散技術主要集中在 Ciba 等日本顏料廠商手中,因此彩色光刻膠和黑色光刻膠的核心技術基本被日本和韓國企業壟斷。

  國內企業積極進軍布局。TFT 正性膠等較低端產品方面,國內企業技術較為成熟;彩色光刻膠方面,目前僅永太科技(002326,股吧)有較為成熟的產品,其他企業多處研發階段。

  全球 PCB 光刻膠市場規模約 20 億美元,中國市場占比 50%以上 。PCB 光刻膠主要品種有干膜光刻膠、濕膜光刻膠(又稱液態光致抗蝕劑、線路油墨)、光成像阻焊油墨等。濕膜性能優于干膜,未來濕膜光刻膠有望逐步替代干膜光刻膠。濕膜相比干膜具有高精度、低成本的優勢,容易得到高分辨率,滿足 PCB 高性能的要求。PCB 行業成本中,光刻膠及油墨的占比約 3~5%。

  全球 PCB 光刻膠市場規模在 20 億美元左右,中國市場規模占比達 50%以上。隨著 PCB 光刻膠外企東移和內資企業的不斷發展,中國已成為全球最大的 PCB 光刻膠生產基地。

  ▲PCB 光刻膠分類

  ▲PCB 成本結構

  PCB 光刻膠全球市場行業集中度較高。干膜光刻膠方面,臺灣長興化學、日本旭化成、日本日立化成三家公司就占據了全球 80%以上的市場份額;光成像阻焊油墨方面,日本太陽油墨占據全球 60%左右的市場份額,前十家公司合計占據全球 80%以上的市場份額。

  國內市場中,PCB 光刻膠的國產化滲透率較高,中國內資企業已在國內 PCB 市場中占據 50%以上的市場份額。

  國產光刻膠進口替代速度:PCB>液晶面板>半導體 。進口替代的驅動因素主要為技術突破。國產光刻膠的技術與國際先進技術差距較大,但部分內資企業已實現了中端產品(如半導體用 g/i 線光刻膠、LCD 用光刻膠)的技術突破,產品已進入國產知名半導體、顯示面板企業供應鏈。

  從技術水平來看,PCB 光刻膠是目前國產替代進度最快的,國產化率已達 50%以上;面板光刻膠進度相對較快,國產化率在 10%左右;半導體光刻膠國內技術較海外先進技術差距較大,國產化率不足 5%。

  智東西認為,目前正處于國內第三次進口替代(電子信息產業的進口替代)的浪潮中,半導體、顯示面板等電子產業鏈持續向中國轉移,中國電子產業市場規模急劇擴張,我國已成為全球最大的半導體生產國家、液晶面板出貨量最大的國家,且未來幾年全球的半導體、顯示面板新增產能主要集中在中國,中國電子元器件的國產化率將大幅提升。但與此同時,上游原材料受制于人的局面亟待改變,部分高端電子化工材料的供應仍以外資企業為主,國產替代需求迫切。而電子特種氣體和光刻膠是上游材料中最重要的兩種原材料,雖然有著很高的技術門檻,但我國在這兩種材料上已取得了實質性進展。

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