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      行業資訊 | Industry News

      潔凈室行業深度報告:高端制造業的守護神

      分享 發布時間:2018/9/5

      潔凈室行業深度報告:高端制造業的守護神

      綜合管理中心--符麗

      潔凈室是指將一定空間范圍內的空氣中的微粒子、有害氣體、細菌等污染物排除,并將室內的溫度、濕度、潔凈度、壓力、氣流速度與氣流流向、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內,而所給予特別設計的空間。

       

      不論外界空氣條件如何變化,潔凈室內均能維持原設定的潔凈度、溫度及壓力等性能,以滿足使用需求。潔凈室最主要的作用在于控制在其內生產的產品所接觸的空氣的潔凈度及濕度等各項指標符合標準,使產品能在一個具有良好條件和高度穩定性的環境空間中生產制造,F代潔凈室的誕生起源于戰爭時期的軍事工業。1950 年代,朝鮮戰爭時期,美國軍隊在戰爭中發現大量電子儀器出故障,有超過 80%的雷達失效,接近 50%的水聲測位儀失效,陸軍中 70%的電子設備失效,并且每年的維護費用超出原價的 2 倍,原因在于零部件可靠性差,質量不穩定。

      最終,美軍找到了主要的原因是灰塵作怪,工廠生產環境不清潔,導致生產出來的零部件合格率低,盡管當時采取非常嚴密的措施來封閉生產車間,但是收效甚微,后來將高效空氣過濾器應用于生產車間后,才解決問題,這也是現代潔凈室的誕生。

           

      潔凈室行業的發展有 5 個階段,每個階段的發展和進步都源于制造業技術升級帶來的對生產環境要求的提高

      第一階段是 1950 年代美國軍工的需要;

      第二階段是蘇聯和美國航天事業,特別是登月工程中精密機器加工和電子儀器的發展,出現了層流技術和百級潔凈室;

      第三階段是 1970 年代集成電路開始進入發展期,使得潔凈技術得以騰飛;

      第四階段是 1980 年代大規模和超大規模集成電路的發展帶來對潔凈室要求的進一步提高;

      第五階段則是從 1990 年代開始到現在,半導體技術進一步發展,生產線精度的進一步提高,對生產空間的潔凈度提出新的要求,同時,傳統領域如醫療制藥、精密儀器等、食品工業等對潔凈技術的要求也逐步提高。

      潔凈度的標準按照國際標準 ISO146441 空氣潔凈度等級劃分,以每立方米空氣中含有的特定直徑的微粒數目來劃分潔凈室級別。比如,以 0.1um 的塵埃粒子為比較標準,ISO1級標準的含義為 1 立方米的空氣中直徑大于等于 0.1um 的粒子數不超過 10 個,中國的劃分標準為十級,百級,千級,萬級等,分別對應國際標準的 4 級,5 級,6 級,7 級。對于潔凈度我們可以做個直觀的類比,按照上限計算,ISO1 級表示 1 立方米空氣中直徑 0.1um粒子數量為 10 個,粒子占空間比例為 5.23*10^-21,可查太平洋的面積為 16500 萬 km^3,平均深度為 4282 米,體積為 70700km^3,如果用太平洋的體積與 ISO1 級標準的潔凈程度換算,那么平均每個粒子的體積為 370 毫升,相當于一條魚的體積,即 ISO1 級潔凈標準相當于整個太平洋不超過 10 條魚。 

      我國自從潔凈室工程(www.iwuchen.com)出現之后,頒布了一系列潔凈室工程規范性文件,對于潔凈室的指標要求、工程規范、施工要點、材料使用等都做了詳細的說明和指導。

      其中《潔凈室廠房設計規范》是總括性規范文件,《醫藥工業潔凈廠房設計規范》,《電子工業潔凈廠房設計規范》,《醫院潔凈手術部建筑技術規范》分別對電子行業、醫藥行業、手術室做了更加細致的指導。

      潔凈室技術原理:流體力學的藝術

      1、潔凈室的原理(氣流組織方式)

      潔凈室的主要原理即利用流體力學的相關性質來控制室內污染源。

      潔凈室控制污染源的途徑主要有 3 種:

      1、控制污染源,減少污染發生量;

      2、迅速排出室內已經發生的污染;

      3、有效阻止室外的污染侵入。

      1 點和第 3 點都可以通過封閉性和化學設備等解決,而核心的第 2 點則需要利用流體力學的物理原理。在流體力學中,按照運動要素流速、加速度等有無時間因素可以分為穩定流與不穩定流,按照流線形狀可以分為漸變流和突變流,按照有無質點交換可以分為層流和紊流。

      按照氣流組織方式,潔凈室分為非單向流潔凈室和層流潔凈室。

      非單向流潔凈室的主要特點為從來流到出流之間氣流的流通斷面是變化的,也稱亂流,非單向流的原理為稀釋作用。

      非單向流潔凈室一般采用孔板頂送,有全孔板頂送與局部孔板頂送之分,全孔板頂送風速小,氣流分布均勻,可達到 1000 級潔凈度,局部孔板頂送與全孔板頂送相比,風速大,在墻側有渦流并部分沿測墻向上翻卷,經頂棚到中間,隨潔凈氣流向下流,混入和污染潔凈氣流,其潔凈度可達 10000 級。而高效過濾器風口頂送則將高效過濾器放置在送風口,一般帶擴散板,是一種常見的氣流組織形式。

      非單向流潔凈室的作用原理是:當一股干凈氣流從送風口送入室內時,迅速向四周擴散、混合,同時把差不多同樣數量的氣流從回風口排走,這股干凈氣流稀釋室內污染的空氣,把原來含塵濃度很高的室內空氣沖淡,一直達到平衡。所以氣流擴散的越快,越均勻,那么稀釋的效果越好。層流潔凈室的主要特點為氣流的流通斷面是不變的,原理為靠推出作用將室內污染的空氣沿整個斷面排至室外,從而達到凈化室內空氣的目的。

      層流潔凈室的進風面布滿高效過濾器,整個送風面是一個大送風口,送風氣流經靜壓箱和高效過濾器的均壓均流作用,從送風口到回風口氣流流線彼此平行,充滿全室斷面,以均速向前推進,就像個大活塞,把室內原污染空氣排入回風口,從而達到凈化室內空氣的目的。由于氣流的流線始終是平行的,無渦流,因此層流亦稱平行流潔凈室,根據氣流組織形式分垂直層流潔凈室和水平直層流潔凈室。

      垂直單向流潔凈室是比較典型的層流潔凈室。垂直單向流的優點是可獲得均勻向下的單向氣流,因而自凈能力強,能夠達到最高的潔凈度級別,缺點是頂棚結構較復雜,造價和維護費用高,高效過濾器堵漏較困難!稘崈魪S房設計規范》中規定,1-4 級潔凈度應使用垂直單向流,5 級潔凈度使用垂直單向流或者水平單向流,6-9 級潔凈度應使用非單向流。綜合來看,垂直層流方式運行成本最高,設備費用也最高,部分層流方式由于對生產設備的發熱和排熱分別處理,降低了運行成本,設備成本中等,亂流方式循環風量小,運行成本最低,設備成本也最低。

      2、灰塵和化學物質的去除 

      潔凈室過濾灰塵的儀器主要有高效空氣過濾器(High Efficiency Particulate AirFilter,簡稱 HEPA),超高效空氣過濾器(www.bacclean.com)(Ultra Low Penetration Air Filter,簡稱ULPA)。HEPA 它對直徑為 0.3 微米(頭發直徑的 1/200)以上的微粒去除效率可達到99.7%以上,是煙霧、灰塵以及細菌等污染物最有效的過濾媒介,而 ULPA 對于直徑 0.15微米以上的微粒去除效率達到 99.999%以上。

      潔凈室的灰塵大部分都不是從外部帶入,而是從內部產生?諝庵械幕覊m主要由設備運轉、生產過程、人員因素產生,這 3 種途徑共計產生了 85%的灰塵。潔凈室關于灰塵的原則包括 4 條:不將灰塵帶入,不讓灰塵產生,不讓灰塵堆積,迅速排除灰塵,因此,潔凈室內,對作業人員的潔凈服裝,對帶入的工具、材料等,對于設備的清理和通風都要嚴格的要求。除了灰塵以外,化學物質也是潔凈室需要重點考慮和去除的;瘜W物質主要分為酸性物質,堿性物質,有機物,摻雜性氣體等,主要來源為大氣、生產中使用的化學用品,建材等,在車間生產過程中要使用大量的化學物質,而雜質化學物質很容易和生產用化學物質產生反應,影響產品質量,故化學物質的去除同樣是潔凈室需要重點考慮的一個方面。

      潔凈室工程產業鏈:輔助制造,投資驅動

      潔凈室工程屬于生產輔助型工程

      潔凈室工程是生產輔助性工程,是高端制造不可或缺的一部分。潔凈室工程的需求來源于準備建廠的業主,比如晶圓制造商、面板生產商等,潔凈室建設完成之后再交付給業主,業主使用潔凈室來進行生產活動,故潔凈室工程并不單獨存在,而是生產廠商的輔助性工程,但同時,也是高端制造不可或缺的一部分。

      新建潔凈廠房可以分為工程設計、土建施工、潔凈室施工 3 個環節。潔凈室工程始于業主新建廠房計劃,在業主確定建廠計劃后,會聯系具有設計資質的設計商為工廠做整體設計方案,由于潔凈室工程在廠房建設中處于重要地位,故在工程設計的過程中設計方會 和業主反復溝通,確定潔凈廠房的建造方案和技術標準。在工程設計確定之后,下一步就是土建施工,土建施工達到一定的階段潔凈室工程就開始了,工程設計及土建施工的意義在于為潔凈室工程提供符合潔凈廠房要求的建筑方案和空間。

      潔凈室工程整體周期 2 年左右,潔凈室施工一般開始于工程開始 1 年以后。從簽訂協議開始,工程設計時間一般 3 個月左右,總體設計方案完成之后就開始土建施工,在土建施工持續 9-12 個月,廠房封頂后,潔凈室施工開始,潔凈室施工持續時間 9-12 個月左右,在潔凈室施工完成之后,開始搬入生產設備,調試完成之后,進入試產階段,試產階段持續時間不等,試產成功之后慢慢提升產量,最終進入量產階段。

      產業鏈各環節投資分拆

      通過對行業內各個環節公司的微觀調研,大致得到了集成電路和新型顯示潔凈室工程各環節投資占項目總投資百分比。結合項目案例和調研數據,對于集成電路項目和新型顯示項目,一般來說,項目總投資中 70-80%投入到固定資產,固定資產中 20-30%投入到廠房建設中,廠房建設可以分為 3 個部分,工程設計、土建施工、潔凈室施工,其分別占的比例為 2-7%,30-40%,50-70%左右,潔凈室施工可以分為 6 個子系統,總體能分為潔凈系統和機電系統,分別占潔凈室工程的 50%,50%。

      固定資產投資占總投資比例 70%-80%,廠房建設占固定資產投資的 20-30%。以臺積電南京的 Foundry 項目為例,一座月產能 2 萬片的 12 寸晶圓廠投資金額為 200 億人民幣左右,其中約 80%投入到固定資產中,其他 20%投入到營運資本中,在固定資產中大約70%投入設備采購中,包括曝光機,刻蝕機等生產設備,固定資產投資的 30%投入到廠房建設中。以華星光電 244 億的 8.5 代顯示面板產線為例,固定資產投資占總投資比例為 70%,其中設備投資占 70%,廠房投資占 30%。

      行業中觀數據也統計出廠房建設投資占固定資產投資比值為 31%,與微觀結論一致。根據國家電子信息統計年鑒中的集成電路固定資產投資數據,2008-2015 年集成電路廠房投資占固定資產投資比例平均為 31%,和微觀數據相符。

      集成電路技術升級和產業投資帶來潔凈室工程新需求

      潔凈室主要應用領域包括電子、制藥、生物工程、醫療衛生、食品、實驗室和軍工等行業。潔凈技術已廣泛應用于各行各業或其他要求防止粒子污染、微生物污染的環境控制,由于各行業間差距較大,且要求不同,因此控制環境的內容、指標均不相同。最常見最依賴潔凈室為生物制藥生產潔凈室,食品,化妝品,電子廠,實驗室,等等對環境有要求的地方。

      由于技術原因和制造工序的復雜程度高,集成電路制造是對潔凈度整體要求最高的行業。集成電路由于技術的復雜程度與日俱增,對于空氣潔凈度的要求也越來越高,核心工藝區需保持 1-4 級的潔凈度。而其他大部分行業比如食品制造,藥品,醫學等行業對潔凈度的要求大多在 5-9 級,遠低于集成電路和新型顯示對潔凈度的要求。

      2016 年開始,在政策和資金的雙重推動下,我國集成電路行業迎來投資的密集期。在集成電路產業基金、國家科技重大專項及地方基金等國家隊的帶動下,集成電路產業投資開始爆發,比如存儲器市場,自 2015 年開始,我國存儲器產業市場從零起步,正逐漸形成紫光/長江存儲系、福建晉華以及合肥長鑫三足鼎立格局,紫光計劃將在十年內成為全球前五大存儲器制造商。

      潔凈室工程是集成電路產業發展最先受益的環節。

      潔凈室工程是集成電路制造環節中重要的一環,直接決定了最終產品的成敗,F代集成電路制造工藝已經達到 14 納米級別,未來幾年內 7 納米工藝即將誕生,集成電路的制造過程一般為自動化軟件把算法邏輯生成硬件電路開始,然后將集成電路設計版圖轉印到光刻板上,集成電路的基礎制造材料是硅片,硅片經過各種表面處理后,與光刻板一起經過包括光刻、熱處理、介質沉積、化學機械研磨等工藝最終形成集成電路芯片。如果生產過程中潔凈程度達不到要求,產品良品率會受到很大影響,最終產品就會失敗。

      隨著技術的進步,集成電路對潔凈度的要求越來越高。一般而言,當微粒尺寸達到集成電路節點一半大小時就成為了破壞性微粒,對集成電路的制造產生影響。比如,14 納米工藝中 7 納米的微粒就會影響制造過程。隨著集成電路的工藝越來越高,目前 5 納米的工藝已經開始研發,集成電路制造過程需要的潔凈程度越來越高,對于潔凈室工程的技術提出越來越高的要求。

      與產業投資增速同步,潔凈室工程市場將迎來爆發。

      我們主要通過以下三個步驟來測算集成電路產業潔凈室工程的市場容量

      (1) 計算 2010 年以來我國集成電路產業投資額度,主要通過所有已經公布的國內集成電路已完成、在建設以及未開工的投資項目根據工期分拆投資金額,然后加總求和。

      (2) 通過我們之前的分析,根據潔凈室工程市場以及各個環節與總投資的比例關系,計算出未來幾年各個細分環節的市場容量。

      (3) 通過比較 2011 年到 2015 年國家統計局集成電路固定資產投資額與我們計算的集成電路固定資產投資額,來大致檢驗我們方法的可行性。

      根據已經公布的和已經建成的新型顯示項目,我國 2010-2019 年總計面板產業投資超過 1 萬億,2016-2019 年產業投資分別為 999 億,2179 億,2315 億,749 億。我們搜集整理了近年來我國所有的已建成、正在建設、計劃建設的面板產業項目,并根據項目工期估計每個項目每年的投資金額,最后加總得到每年我國面板產業的總投資金額,根據計算,我國面板產業項目投資在 2016 年開始高速增長,2016-2019 年投資金額分別為 999億,2179 億,2315 億,749 億,增速分別為 47%,118%,6%,-68%。

       

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