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洁净室行业深度报告:高端制造业的守护神

来源:   发布时间:2017-09-15 17:26:18   访问人次:282

起源于军事工业,发展于产业升级
洁净室是指将一定空间范围内的空气中的微粒子、有害气体、细菌等污染物排除,并将室内的温度、湿度、洁净度、压力、气流速度与气流流向、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内,而所给予特别设计的空间。
不论外界空气条件如何变化,洁净室内均能维持原设定的洁净度、温度及压力等性能,以满足使用需求。洁净室最主要的作用在于控制在其内生产的产品所接触的空气的洁净度及湿度等各项指标符合标准,使产品能在一个具有良好条件和高度稳定性的环境空间中生产制造。 获取本文完整报告请百度搜索"乐晴智库"。
现代洁净室的诞生起源于战争时期的军事工业。1950 年代,朝鲜战争时期,美国军队在战争中发现大量电子仪器出故障,有超过 80%的雷达失效,接近 50%的水声测位仪失效,陆军中 70%的电子设备失效,并且每年的维护费用超出原价的 2 倍,原因在于零部件可靠性差,质量不稳定。
最终,美军找到了主要的原因是灰尘作怪,工厂生产环境不清洁,导致生产出来的零部件合格率低,尽管当时采取非常严密的措施来封闭生产车间,但是收效甚微,后来将高效空气过滤器应用于生产车间后,才解决问题,这也是现代洁净室的诞生。
洁净室行业的发展有 5 个阶段,每个阶段的发展和进步都源于制造业技术升级带来的对生产环境要求的提高
第一阶段是 1950 年代美国军工的需要;
第二阶段是苏联和美国航天事业,特别是登月工程中精密机器加工和电子仪器的发展,出现了层流技术和百级洁净室;
第三阶段是 1970 年代集成电路开始进入发展期,使得洁净技术得以腾飞;
第四阶段是 1980 年代大规模和超大规模集成电路的发展带来对洁净室要求的进一步提高;
第五阶段则是从 1990 年代开始到现在,半导体技术进一步发展,生产线精度的进一步提高,对生产空间的洁净度提出新的要求,同时,传统领域如医疗制药、精密仪器等、食品工业等对洁净技术的要求也逐步提高。 百度搜索"乐晴智库",获得更多行业深度研究报告
洁净度的标准按照国际标准 ISO146441 空气洁净度等级划分,以每立方米空气中含有的特定直径的微粒数目来划分洁净室级别。比如,以 0.1um 的尘埃粒子为比较标准,ISO1级标准的含义为 1 立方米的空气中直径大于等于 0.1um 的粒子数不超过 10 个,中国的划分标准为十级,百级,千级,万级等,分别对应国际标准的 4 级,5 级,6 级,7 级。
对于洁净度我们可以做个直观的类比,按照上限计算,ISO1 级表示 1 立方米空气中直径 0.1um粒子数量为 10 个,粒子占空间比例为 5.23*10^-21,可查太平洋的面积为 16500 万 km^3,平均深度为 4282 米,体积为 70700km^3,如果用太平洋的体积与 ISO1 级标准的洁净程度换算,那么平均每个粒子的体积为 370 毫升,相当于一条鱼的体积,即 ISO1 级洁净标准相当于整个太平洋不超过 10 条鱼。 
我国自从洁净室工程出现之后,颁布了一系列洁净室工程规范性文件,对于洁净室的指标要求、工程规范、施工要点、材料使用等都做了详细的说明和指导。
其中《洁净室厂房设计规范》是总括性规范文件,《医药工业洁净厂房设计规范》,《电子工业洁净厂房设计规范》,《医院洁净手术部建筑技术规范》分别对电子行业、医药行业、手术室做了更加细致的指导。
洁净室技术原理:流体力学的艺术
1、洁净室的原理(气流组织方式)
洁净室的主要原理即利用流体力学的相关性质来控制室内污染源。
洁净室控制污染源的途径主要有 3 种:
1、控制污染源,减少污染发生量;
2、迅速排出室内已经发生的污染;
3、有效阻止室外的污染侵入。
第 1 点和第 3 点都可以通过封闭性和化学设备等解决,而核心的第 2 点则需要利用流体力学的物理原理。在流体力学中,按照运动要素流速、加速度等有无时间因素可以分为稳定流与不稳定流,按照流线形状可以分为渐变流和突变流,按照有无质点交换可以分为层流和紊流。
按照气流组织方式,洁净室分为非单向流洁净室和层流洁净室。
非单向流洁净室的主要特点为从来流到出流之间气流的流通断面是变化的,也称乱流,非单向流的原理为稀释作用。
非单向流洁净室一般采用孔板顶送,有全孔板顶送与局部孔板顶送之分,全孔板顶送风速小,气流分布均匀,可达到 1000 级洁净度,局部孔板顶送与全孔板顶送相比,风速大,在墙侧有涡流并部分沿测墙向上翻卷,经顶棚到中间,随洁净气流向下流,混入和污染洁净气流,其洁净度可达 10000 级。而高效过滤器风口顶送则将高效过滤器放置在送风口,一般带扩散板,是一种常见的气流组织形式。
非单向流洁净室的作用原理是:当一股干净气流从送风口送入室内时,迅速向四周扩散、混合,同时把差不多同样数量的气流从回风口排走,这股干净气流稀释室内污染的空气,把原来含尘浓度很高的室内空气冲淡,一直达到平衡。所以气流扩散的越快,越均匀,那么稀释的效果越好。
层流洁净室的主要特点为气流的流通断面是不变的,原理为靠推出作用将室内污染的空气沿整个断面排至室外,从而达到净化室内空气的目的。
层流洁净室的进风面布满高效过滤器,整个送风面是一个大送风口,送风气流经静压箱和高效过滤器的均压均流作用,从送风口到回风口气流流线彼此平行,充满全室断面,以均速向前推进,就像个大活塞,把室内原污染空气排入回风口,从而达到净化室内空气的目的。由于气流的流线始终是平行的,无涡流,因此层流亦称平行流洁净室,根据气流组织形式分垂直层流洁净室和水平直层流洁净室。
垂直单向流洁净室是比较典型的层流洁净室。垂直单向流的优点是可获得均匀向下的单向气流,因而自净能力强,能够达到最高的洁净度级别,缺点是顶棚结构较复杂,造价和维护费用高,高效过滤器堵漏较困难。
《洁净厂房设计规范》中规定,1-4 级洁净度应使用垂直单向流,5 级洁净度使用垂直单向流或者水平单向流,6-9 级洁净度应使用非单向流。综合来看,垂直层流方式运行成本最高,设备费用也最高,部分层流方式由于对生产设备的发热和排热分别处理,降低了运行成本,设备成本中等,乱流方式循环风量小,运行成本最低,设备成本也最低。
2、灰尘和化学物质的去除 
洁净室过滤灰尘的仪器主要有高效空气过滤器(High Efficiency Particulate AirFilter,简称 HEPA),超高效空气过滤器(Ultra Low Penetration Air Filter,简称ULPA)。HEPA 它对直径为 0.3 微米(头发直径的 1/200)以上的微粒去除效率可达到99.7%以上,是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介,而 ULPA 对于直径 0.15微米以上的微粒去除效率达到 99.999%以上
洁净室的灰尘大部分都不是从外部带入,而是从内部产生。空气中的灰尘主要由设备运转、生产过程、人员因素产生,这 3 种途径共计产生了 85%的灰尘。洁净室关于灰尘的原则包括 4 条:不将灰尘带入,不让灰尘产生,不让灰尘堆积,迅速排除灰尘,因此,洁净室内,对作业人员的洁净服装,对带入的工具、材料等,对于设备的清理和通风都要严格的要求。
除了灰尘以外,化学物质也是洁净室需要重点考虑和去除的。化学物质主要分为酸性物质,碱性物质,有机物,掺杂性气体等,主要来源为大气、生产中使用的化学用品,建材等,在车间生产过程中要使用大量的化学物质,而杂质化学物质很容易和生产用化学物质产生反应,影响产品质量,故化学物质的去除同样是洁净室需要重点考虑的一个方面。
洁净室工程产业链:辅助制造,投资驱动
洁净室工程属于生产辅助型工程
洁净室工程是生产辅助性工程,是高端制造不可或缺的一部分。洁净室工程的需求来源于准备建厂的业主,比如晶圆制造商、面板生产商等,洁净室建设完成之后再交付给业主,业主使用洁净室来进行生产活动,故洁净室工程并不单独存在,而是生产厂商的辅助性工程,但同时,也是高端制造不可或缺的一部分。
新建洁净厂房可以分为工程设计、土建施工、洁净室施工 3 个环节。洁净室工程始于业主新建厂房计划,在业主确定建厂计划后,会联系具有设计资质的设计商为工厂做整体设计方案,由于洁净室工程在厂房建设中处于重要地位,故在工程设计的过程中设计方会 和业主反复沟通,确定洁净厂房的建造方案和技术标准。在工程设计确定之后,下一步就是土建施工,土建施工达到一定的阶段洁净室工程就开始了,工程设计及土建施工的意义在于为洁净室工程提供符合洁净厂房要求的建筑方案和空间。
洁净室工程整体周期 2 年左右,洁净室施工一般开始于工程开始 1 年以后。从签订协议开始,工程设计时间一般 3 个月左右,总体设计方案完成之后就开始土建施工,在土建施工持续 9-12 个月,厂房封顶后,洁净室施工开始,洁净室施工持续时间 9-12 个月左右,在洁净室施工完成之后,开始搬入生产设备,调试完成之后,进入试产阶段,试产阶段持续时间不等,试产成功之后慢慢提升产量,最终进入量产阶段。
产业链各环节投资分拆
通过对行业内各个环节公司的微观调研,大致得到了集成电路和新型显示洁净室工程各环节投资占项目总投资百分比。结合项目案例和调研数据,对于集成电路项目和新型显示项目,一般来说,项目总投资中 70-80%投入到固定资产,固定资产中 20-30%投入到厂房建设中,厂房建设可以分为 3 个部分,工程设计、土建施工、洁净室施工,其分别占的比例为 2-7%,30-40%,50-70%左右,洁净室施工可以分为 6 个子系统,总体能分为洁净系统和机电系统,分别占洁净室工程的 50%,50%。
固定资产投资占总投资比例 70%-80%,厂房建设占固定资产投资的 20-30%。以台积电南京的 Foundry 项目为例,一座月产能 2 万片的 12 寸晶圆厂投资金额为 200 亿人民币左右,其中约 80%投入到固定资产中,其他 20%投入到营运资本中,在固定资产中大约70%投入设备采购中,包括曝光机,刻蚀机等生产设备,固定资产投资的 30%投入到厂房建设中。以华星光电 244 亿的 8.5 代显示面板产线为例,固定资产投资占总投资比例为 70%,其中设备投资占 70%,厂房投资占 30%。
行业中观数据也统计出厂房建设投资占固定资产投资比值为 31%,与微观结论一致。根据国家电子信息统计年鉴中的集成电路固定资产投资数据,2008-2015 年集成电路厂房投资占固定资产投资比例平均为 31%,和微观数据相符。
集成电路技术升级和产业投资带来洁净室工程新需求
洁净室主要应用领域包括电子、制药、生物工程、医疗卫生、食品、实验室和军工等行业。洁净技术已广泛应用于各行各业或其他要求防止粒子污染、微生物污染的环境控制,由于各行业间差距较大,且要求不同,因此控制环境的内容、指标均不相同。最常见最依赖洁净室为生物制药生产洁净室,食品,化妆品,电子厂,实验室,等等对环境有要求的地方。
由于技术原因和制造工序的复杂程度高,集成电路制造是对洁净度整体要求最高的行业。集成电路由于技术的复杂程度与日俱增,对于空气洁净度的要求也越来越高,核心工艺区需保持 1-4 级的洁净度。而其他大部分行业比如食品制造,药品,医学等行业对洁净度的要求大多在 5-9 级,远低于集成电路和新型显示对洁净度的要求。
2016 年开始,在政策和资金的双重推动下,我国集成电路行业迎来投资的密集期。在集成电路产业基金、国家科技重大专项及地方基金等国家队的带动下,集成电路产业投资开始爆发,比如存储器市场,自 2015 年开始,我国存储器产业市场从零起步,正逐渐形成紫光/长江存储系、福建晋华以及合肥长鑫三足鼎立格局,紫光计划将在十年内成为全球前五大存储器制造商。
洁净室工程是集成电路产业发展最先受益的环节
洁净室工程是集成电路制造环节中重要的一环,直接决定了最终产品的成败。现代集成电路制造工艺已经达到 14 纳米级别,未来几年内 7 纳米工艺即将诞生,集成电路的制造过程一般为自动化软件把算法逻辑生成硬件电路开始,然后将集成电路设计版图转印到光刻板上,集成电路的基础制造材料是硅片,硅片经过各种表面处理后,与光刻板一起经过包括光刻、热处理、介质沉积、化学机械研磨等工艺最终形成集成电路芯片。如果生产过程中洁净程度达不到要求,产品良品率会受到很大影响,最终产品就会失败。
随着技术的进步,集成电路对洁净度的要求越来越高。一般而言,当微粒尺寸达到集成电路节点一半大小时就成为了破坏性微粒,对集成电路的制造产生影响。比如,14 纳米工艺中 7 纳米的微粒就会影响制造过程。随着集成电路的工艺越来越高,目前 5 纳米的工艺已经开始研发,集成电路制造过程需要的洁净程度越来越高,对于洁净室工程的技术提出越来越高的要求。
与产业投资增速同步,洁净室工程市场将迎来爆发
我们主要通过以下三个步骤来测算集成电路产业洁净室工程的市场容量: 
(1) 计算 2010 年以来我国集成电路产业投资额度,主要通过所有已经公布的国内集成电路已完成、在建设以及未开工的投资项目根据工期分拆投资金额,然后加总求和。
(2) 通过我们之前的分析,根据洁净室工程市场以及各个环节与总投资的比例关系,计算出未来几年各个细分环节的市场容量。
(3) 通过比较 2011 年到 2015 年国家统计局集成电路固定资产投资额与我们计算的集成电路固定资产投资额,来大致检验我们方法的可行性。
根据已经公布的和已经建成的新型显示项目,我国 2010-2019 年总计面板产业投资超过 1 万亿,2016-2019 年产业投资分别为 999 亿,2179 亿,2315 亿,749 亿。我们搜集整理了近年来我国所有的已建成、正在建设、计划建设的面板产业项目,并根据项目工期估计每个项目每年的投资金额,最后加总得到每年我国面板产业的总投资金额,根据计算,我国面板产业项目投资在 2016 年开始高速增长,2016-2019 年投资金额分别为 999亿,2179 亿,2315 亿,749 亿,增速分别为 47%,118%,6%,-68%。