《这种精细化工行业技术壁垒最高的材料 国产替代正当时》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-03-05
  • 随着电子信息产业发展的突飞猛进,光刻胶市场总需求不断提升。2019年全球光刻胶市场规模预计接近90亿美元,自2010年至今CAGR约5.4%,预计未来3年仍以年均5%的速度增长,预计至2022年全球光刻胶市场规模将超过100亿美元。

    《国家集成电路产业发展推进纲要》,提出“研发光刻机、刻蚀机、离子注入机等关键设备,开发光刻胶、大尺英寸硅片等关键材料”;国家重点支持的高新技术领域(2015)中提到“高分辨率光刻胶及配套化学品作为精细化学品重要组成部分,是重点发展的新材料技术”;光刻技术(包括光刻胶)是《中国制造2025》重点领域。

    光刻胶是一种具有光化学敏感性的功能性化学材料,是由光引发剂(包括光增感剂、光致产酸剂)、光刻胶树脂、单体(活性稀释剂)、溶剂和其他助剂组成的对光敏感的混合液体,其中,树脂约占50%,单体约占35%。它能通过光化学反应改变自身在显影液中的溶解性,通过将光刻胶均匀涂布在硅片、玻璃和金属等不同的衬底上,利用它的光化学敏感性,通过曝光、显影、刻蚀等工艺过程,将设计在掩膜版上的图形转移到衬底上。

    光刻胶常被称为是精细化工行业技术壁垒最高的材料,是因为微米级乃至纳米级的图形加工对其专用化学品的要求极高,不仅化学结构特殊,品质要求也很苛刻,所以生产工艺复杂,需要长期的技术积累。

    被广泛应用于光电信息产业的微细图形线路的加工制作,是电子制造领域的关键材料之一。下游主要用于集成电路、面板和分立器件的微细加工,同时在LED、光伏、磁头及精密传感器等制作过程中也有广泛应用,是微细加工技术的关键性材料。

    光刻工艺主要用于半导体图形化工艺,是半导体制造过程中的重要步骤。光刻工艺利用化学反应原理把事先制备在掩模上的图形转印到晶圆,完成工艺的设备光刻机和光刻胶都是占半导体芯片工厂资产的大头。

    在目前比较主流的半导体制造工艺中,一般需要40 步以上独立的光刻步骤,贯穿了半导体制造的整个流程,光刻工艺的先进程度决定了半导体制造工艺的先进程度。光刻过程中所用到的光刻机是半导体制造中的核心设备。目前,ASML 最新的NXE3400B售价在一亿欧元以上,媲美一架F35 战斗机。

    按曝光波长,光刻胶可分为紫外(300~450 nm)光刻胶、深紫外(160~280 nm)光刻胶、极紫外(EUV,13.5 nm)光刻胶、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X射线光刻胶等。按照应用领域的不同,光刻胶又可以分为印刷电路板(PCB)用光刻胶、液晶显示(LCD)用光刻胶、半导体用光刻胶和其他用途光刻胶。PCB光刻胶技术壁垒相对其他两类较低,而半导体光刻胶代表着光刻胶技术最先进水平。

    光刻胶是印刷线路板、显示面板、集成电路等电子元器件的上游。光刻胶产业链覆盖范围非常广,上游为基础化工材料行业、精细化学品行业,中游为光刻胶制备,下游为电子加工厂商、各电子器产品应用终端。由于上游产品直接影响下游企业的产品质量,下游行业企业对公司产品的质量和供货能力十分重视,常采用认证采购的模式,进入壁垒较高。

    在下游半导体、LCD、PCB等行业需求持续扩大的拉动下,光刻胶市场将持续扩大。2018年全球光刻胶市场规模为85亿美元,2014-2018年复合增速约5%。据IHS,未来光刻胶复合增速有望维持5%。按照下游应用来看,目前半导体光刻胶占比24.1%,LCD 光刻胶占比26.6%,PCB 光刻胶占比24.5%,其他类光刻胶占比24.8%。

    全球半导体市场规模近年来增速平稳,2012-2018年复合增速8.23%。其中,中国大陆集成电路销售规模从2158亿元迅速增长到2018年的6531亿元,复合增速为20.27%,远超全球其他地区,全球半导体产业加速向大陆转移。集成电路一般分为设计、制造和封测三个子行业,在制造和封测行业中,均需要大量的半导体新材料支持。

    目前中国大陆半导体材料市场规模83亿美元,全球占比16%,仅次于中国台湾和韩国,为全球第三大半导体材料区域。伴随着全球半导体行业的快速发展,全球半导体光刻胶市场持续增长。

    全球面板市场稳步上升,产能向大陆转移,催生LCD光刻胶需求增长。全球LCD面板产业经历了“美国研发—日本发展—韩国超越—中国台湾崛起—中国大陆发力”的过程,美国最早研发出LCD技术后,80年代后期由日本厂商将LCD技术产业化,全球面板产业几乎被日本企业垄断。

    90年代后,韩国和中国台湾面板厂快速崛起,开始长时间主导市场,中国大陆面板自2009年开始发力,以京东方为首的大陆面板厂商产能持续翻倍增长。据IHS数据,2018年中国大陆LCD产能占有率已达到39%,预计2023年中国大陆产能将占全球总产能的55%。

    面板产能扩张促进LCD光刻胶需求增长。随着全球面板产能向中国大陆转移,LCD光刻胶需求量呈现快速增长的态势。据CINNO Research预估,2022年大陆TFTArray正性光刻胶(包含LTPS基板)需求量将达到1.8万吨,彩色光刻胶需求量为1.9万吨,黑色光刻胶需求量为4100吨,光刻胶总产值预计高达15.6亿美金。

    光刻胶技术壁垒高并且要与光刻设备协同研发,呈现出寡头竞争的格局。目前全球前五家日本合成橡胶、东京日化、罗门哈斯、日本信越和富士电子材料占据全球87%的市场份额,美国杜邦、德国巴斯夫等化工寡头也占有一定份额。

    分领域来看,在PCB行业,由于国内PCB产值逐年提升,2016年开始行业产值就超过了全球总产值的一半,成为全球最大的PCB生产国,因此其配套的PCB光刻胶需求稳健提升,并且由于技术壁垒相对较低,国内目前PCB光刻胶相对成熟,已初步实现进口替代。主要企业包括广信材料,容大感光等。

    在半导体光刻胶及LCD光刻胶领域,国内生产企业和国外差距仍然较大。用于6英寸以下硅片的g/i线光刻胶自给率约20%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶的自给率不足5%,而适用于12寸硅片的ArF光刻胶尚没有国内企业可以大规模生产,基本依靠进口。国内大部分光刻胶生产企业的产品主要还是集中于PCB光刻胶、TN/STN-LCD光刻胶等中低端产品。

    如今国际LCD光刻胶市场主要还是由日本及韩国的厂商垄断,如JSR、LG化学、TOK、CHEIL等,半导体光刻胶领域95%的市场则被日本的JSR、信越化学、TOK、住友化学,美国的SEMATECH、IBM等占据。

    面对国内LCD产能扩张的机遇,我国企业加速布局LCD光刻胶领域,博砚电子自2014年起就与北化成立联合研究中心,推进黑色光刻胶的研发与产业化,现已拥有1000吨/年黑色光刻胶产能,成功打破国外垄断。北旭电子是京东方全资子公司,2019年计划在葛店投资5亿元,主要生产TFT-LCD用光刻胶、半导体用光刻胶、PI液、有机绝缘膜等产品。

    半导体光刻胶代表了光刻胶发展的最高水平,光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的35%。目前,全球半导体光刻胶的核心技术和产品基本被日美企业所垄断,包括JSR、信越化学工业、TOK、陶氏化学、住友化学、富士写真电子材料、旭化成、日立化成等。

    由于国内光刻胶起步晚,目前技术水平相对落后,生产产能主要集中在PCB光刻胶、TN/STN-LCD光刻胶等中低端产品,TFT-LCD、半导体光刻胶等高技术壁垒产品产能极少,仍需大量进口,从而导致国内光刻胶需求量远大于本土产量,数据显示2018年光刻胶产量和本土产量分别是8.07万吨和4.88万吨。其中中低端PCB光刻胶产值占比为94.4%,半导体和LCD光刻胶分分别占比1.6%和2.7%,严重依赖进口。纵观全球市场,光刻胶专用化学品生产壁垒高,国产化需求强烈。

    国产高端光刻胶目前主要依赖进口,在中美贸易摩擦和国外贸易保护主义盛行的情况下,华为、晋华事件以及近期的日韩禁运事件,说明在科技逐渐发展、制造业越来越精细化的情况下,芯片核心技术及材料的缺失将带来整个行业的瘫痪,高端光刻胶国产化刻不容缓。

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-08-25
    • 随着环境压力增加以及能源危机的问题日益突显,倡导绿色能源已是大势所趋。在这样的行业背景下,发展新能源车俨然已成为全球共识。截至目前,已有多个国家陆续发布了明确的新能源车发展规划,并用高额补贴引导发展。在市场和政策的双重推动下,新能源车市场快速放量,动力电池行业也迎来爆发期。 数据显示,去年全球锂离子动力电池出货量超116.6GWh,同比增长16.6%,前五的企业分别为宁德时代、日本松下、LG化学、比亚迪和三星SDI,其中宁德时代连续3年位居出货量榜首。受补贴退坡影响,去年国内新能源车销量不及预期,但动力电池装机量依然实现了逆势增长,达到62.38GWh,同比增长约9%。 而随着全球电动化进程不断加快,动力电池的体量还将继续膨胀,这也给动力电池产业链上相关材料企业创造了巨大的发展机遇,这其中就包括作为锂电池溶剂材料的NMP(N-甲基吡咯烷酮)。东莞市振欣环保科技有限公司总经理刘德国表示,“随着动力锂电池在全球迅速起量,未来对NMP材料需求增长潜力将非常大”。 根据此前发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》,到今年我国纯电动、插电式混合动力汽车产能达200万辆、累计产销量突破500万辆。虽然今年受到补贴退坡叠加新冠疫情的影响,新能源车销量可能与去年持平,纯电动车销量约100万辆,但按照平均每辆纯电动车用0.6吨NMP计算,理论上NMP年需求量约为60万吨。 风口正当时 企业加速布局NMP 据了解,NMP属于氮杂环化合物,具有优异的物理和化学性能。包括沸点高、极性强、粘度低、腐蚀性小、溶解度大、挥发度低、稳定性好、可生物降解、易回收等,此前被广泛应用于石油化工、农药、医药、电子材料等领域。如今,其又被应用于锂电池领域,是锂电池生产过程中,优质且不可或缺的有机溶剂。 在锂电池制造过程中,NMP可溶解正极材料胶黏剂聚偏氟乙烯(PVDF)。PVDF属于高分子固体粉状材料,通过NMP溶剂将其溶解、拌成浆后,才可以进行涂布。溶解形成的浆料品质对锂电池生产工段的涂布质量、效果有直接影响。同时,NMP还可作为锂电池碳纳米管导电浆料(CNT)的扩散液,以改善锂电池能量密度。 据悉,NMP主要原料为1,4-丁二醇(BDO),而我国是世界上最大的BDO产区,为NMP行业发展提供了良好的基础。但是锂离子电池对有机溶剂纯度要求非常高,NMP具有很强的吸湿性,为保障NMP纯度和使用效果,要求其水含量小于0.02%;金属离子等级也由传统的PPM级提升至PPB级,导致NMP进入门槛较高。 在此前的发展中,国内并没有在NMP领域形成品质和规模优势。截至目前,国内涉足NMP的企业仅有信敏惠、滨州裕能、迈齐化学等几家为数不多的企业。研究机构统计,2016年国内NMP年产能仅20万吨,与60万吨的市场预期相比,还存在较大缺口。基于这样的供需格局,相关材料企业也在积极布局NMP溶剂的产能。 早在2016年,国内知名NMP材料企业信敏惠集团在山东庆云8万吨/年NMP项目及安徽蚌埠20万吨级NMP/年的项目已经启动。去年7月,信敏惠新总投资5亿元建设的“年产10万吨NMP项目”首期建成投产。信敏惠称,随着今年安徽NMP项目的建成投产,其NMP总产能有望达25万吨,遥遥领先于其他材料企业。 2018年3月,新宙邦也发布公告称,公司拟在波兰弗罗茨瓦夫市投建波兰新宙邦锂离子电池材料项目。项目投资预计为3.6亿元,合计年产4万吨电解液、5000吨NMP以及5000吨导电浆。项目将分期建设,其中首期拟建设2万吨电解液年产能;项目二期拟建设2万吨电解液、5000吨NMP、5000吨导电浆的年产能。 2018年底,万向集团在其官网上发布《万向创新聚能城年产80G瓦时锂电池项目环境影响评价公众参与信息公开》。万向集团称,拟在萧山经济技术开发区投建该项目,预计总投资达685.7亿。建设内容包括:动力电池中试基地及新能源材料实验室、NMP提纯工厂和电解液配制工厂等,涉足NMP提纯和电解液生产。 业内人士认为,“随着锂电行业的发展,NMP的用量也将会呈现出快速增长的态势,如果考虑电池更换的因素,NMP的用量可能比预估的还要多。但目前正在建设中和规划中产能早已经超过市场预期,不排除后期有企业重金投向NMP领域,迅速提升产能,从而导致高端产能不足,低端产能过剩的局面,蓝海变为红海”。 而且更重要的是,锂电池行业的NMP是必须要回收循环使用的,这是降成本要求,也是安全环保强制性要求。电池制造企业如果不重视NMP回收,就会导致废气排放不达标,从而造成环境污染。而NMP具有易回收的特点,部分企业回收率可以做到95%甚至更高。因此从实际需求来看,NMP的市场需求并没有理论上的那么大。 循环使用 助力锂电池绿色生产 作为打赢“蓝天保卫战”的重要举措,发展新能源车是大势所趋,作为新能源车核心部件的动力电池,其生产过程却未必能做到绿色环保。据了解,在锂电池生产过程中,NMP会在涂布完毕烘干时产生挥发,并通过气箱排到外界。NMP作为有机溶剂跟所有的有机化学品类似,具有微弱的毒性,会对环境造成一定的污染。 随着国家对锂电池安全、环保要求越来越高,对NMP的排放也制定了严格要求。根据此前出台的环保标准,国内要求NMP排放不能超过10PPM。而在国外,要求还会更高,欧洲甚至要求NMP的排放不得超过1PPM。因此,如何对NMP产生的废气进行处理,使其达到规定的排放标准,成为锂电池生产企业需要思考的问题。 在这样的行业背景下,诞生了多家针对NMP尾气净化的企业,其中就包括振欣环保、百瑞空气、欧赛莱等,相应的设备和解决方案也应运而生。“据我所知,当前涉足锂电池生产过程中NMP尾气净化处理的企业大概有十家左右。”刘德国提到,随着NMP回收工艺的不断完善,目前NMP已经实现了净化和回收的一体化。 在刘德国看来,“倡导锂电池的绿色生产,还要从源头做起。而锂电池企业日益增长的节能降耗诉求,也将倒逼NMP回收行业不断进步。”振欣环保作为专注于NMP节能环保尾气净化系统的研发和生产的企业,在NMP节能环保尾气净化领域已有七年的沉淀。主营产品包括NMP节能环保系统、高塔式NMP环保系统等。 以振欣环保主打设备——NMP节能环保回收系统为例,该设备无需对现有的生产设备做任何改动,用电能耗低至3KW/H。通过与涂布机同时联动,使用变频器调节风温,NMP有机溶剂的回收率高达95%,而系统年故障率更低至1%,净化吸附后尾气排放达到国家环保二级标准,领先于同行。据了解,该设备已获得实用型专利。 振欣环保同样获得实用型专利的NMP高塔式回收系统,具有立体式占地面积小,热量回收效果好,自动化程度高的特点。该系统采用PLC进行系统控制,触摸式人机画面实现机组运转实时操作,与涂布机实现远程联动,废气中NMP基本溶于水,回收效率高。处理过的废气经气液分离后过塔顶漂洗器进行漂洗,从而达到国家环保二级标准。 刘德国表示,“振欣环保给客户提供的不仅是优质设备,更可免费提供安装、调试、售后在内的完整解决方案,在实现全回收、零排放同时,降低了使用成本。更重要的是,客户可用回收的NMP废液抵扣设备款,缓减客户的资金压力。通过对NMP循环使用,可降低锂电池3%左右生产成本,而这个节约出来的生产成本将是锂电池企业重要的利润来源”。 而据了解,当前国内领先的锂电池生产企业中,几乎都在其生产线上都安装了NMP材料回收系统,以达成对NMP回收、提纯、应用的目的。通过回收系统,可以对85%以上的NMP实现循环利用,不仅达到了国家环保要求,推动了锂电池的绿色生产。同时也大大降低了锂电池生产成本,极大地提升了锂电池企业的核心竞争力。 业内人士认为,未来伴随着动力电池和储能的体量不断增大,对于锂电池市场需求也将持续攀升,NMP在锂电池产业链中的地位将更加凸显,循环使用NMP也将成为锂电池溶剂材料行业的主流。对于NMP净化回收设备企业来说,如何将设备性能发挥到极致,用最低能耗实现最高效回收,为企业提供最大回报,将成为致胜的关键。
  • 《23个国家重大科技项目成果落户河南 涉及新材料、精细化工等领域》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-10-31
    • 10月26日,由国家科学技术部、河南省人民政府主办,以“聚全球创新资源助中原更加出彩”为主题的中国·河南开放创新暨跨国技术转移大会在郑州召开。 在当天下午举行的“国家重大科技项目成果展示推介专场”活动中,国家科技部、工信部、农业农村部等相关领导分别就装备制造、生物育种、新药创制等领域的重大成果做了推介。 “在有了丰富的乙醇产能作为原料之后,对鹤壁市的精细化工产业也会有极大的带动作用。这是我们看中的一点,企业的后续发展有了保证,可以说随着二甲醚转化乙醇项目的落地,为宝马以后的发展,创造了无限可能。” 鹤壁宝马科技集团有限公司(以下简称鹤壁宝马科技)相关负责人对记者说。在当日的推介会现场,鹤壁宝马科技与延长中科(大连)能源科技股份有限公司成功签约年产30万吨二甲醚转化乙醇项目,据上述负责人介绍,该项目落地之后,不仅可以丰富鹤壁宝马科技的产品线,还可带来更高的收益,同时提升企业抗风险能力。 事实上,延长中科与鹤壁宝马科技的签约只是此次跨国技术转移大会国家重大科技项目成果展示推介专场活动的一个。在此次活动中,共有包括宇通客车与上海交通大学签订的“高可靠高环境适应性燃料电池客车整车开发及示范”合作项目、中铁工程装备集团有限公司与中国海洋大学签订的“深海TBM关键技术研究”技术合作协议等在内的23个国家重大科技项目成果落户河南。落地项目涉及高端装备制造、新材料、生物医药、新能源汽车、新一代信息技术、CAE模拟仿真、精细化工、耐火材料、智能建造等领域,体现了国家重大科技成果和河南重大发展需求的有机结合。 河南省科技厅相关负责人表示,这些成果代表了当前国内乃至世界相关领域的先进水平,具有良好应用价值和市场前景。通过推介国家重大科技项目成果,引导推动一批先进适用、具有良好市场前景和应用价值的科技成果在河南转移转化,将有助于我省破解产业发展瓶颈,促进全省战略新兴产业发展壮大和传统产业升级改造,为经济高质量发展提供强大的科技支撑。