纪念专栏开通,撰文一篇。近年来,一直在电子化学品行业生产建设领域摸爬滚打,就以自己最熟悉的领域开篇。
近两年,随着国内半导体行业的建设热潮掀起,中美贸易战、日韩贸易摩擦的推波助澜,半导体行业卡脖子的设备和材料领域项目,自主化呼声越来越高,用于半导体芯片生产的化学品也掀起了一波建设高潮。由于该领域一直以来比较小众,产品多、产量小、技术要求高,因此国内相关的行业经验和技术积累相对薄弱。近两年项目大量上马,抢占市场,可行业的技术积累、工程建设经验都无法很好地支撑行业发展,本文对电子化学品行业工程建设领域的现状进行梳理总结,也算给这几年做的相关项目做一个小结。
电子化学品通常是指用于电子信息产业的专用化学品或化工材料,按其使用的细分行业不同主要可分为四类:平板显示(FPD)行业用电子化学品、半导体和集成电路(IC)行业用电子化学品、印刷电路板(PCB)行业用电子化学品以及新能源(NE)行业用电子化学品。其具有种类多、用量小、纯度高、更新换代快等特点。电子化学品的应用在电子信息行业,而生产属于化工行业,一般将其归类于精细化工、专用化学品的范畴。由于电子化学品涉及电子、化工、材料等多个领域,属于交叉行业,因此其产品技术含量高,研发投入资金大,产品附加值高。
电子化学品,也称为电子化工材料,通常是指为电子行业提供的精细化学品或化工材料,其本质是一种专用化学品。下图是电子产品产业链示意图。电子化学品处于电子产品产业链的前端。就生产工艺而言,电子化学品属于精细化工领域;就产品用途而言,属于电子材料领域。另外,根据产品制造行业的不同,电子化学品又可分为多个种类。具体的产品包括光致抗蚀剂、超净高纯试剂、超净高纯气体、塑封材料等;干膜抗蚀剂、油墨、化学和电镀液及其添加剂、电浆料、清洗剂、贴片胶、导电胶、预涂焊剂、免清和水洗工艺用焊剂等;液晶材料、电解液、薄膜和包封材料、偏振片等等。
在生产电子产品的过程中,通常需要用到数十种、甚至百余种电子化学品,电子化学品的优劣,直接关系到电子产品的性能和质量。特别是高档的电子产品,对电子化学品的品质要求也就越高。下图概括了电子化学品的加工工艺及产品分类。可以看出,电子化学品的品种多、对制备工艺要求高。在电子行业领域素有这样的说法,即“一代材料、一代产品”。由此可见,电子化学品自身的性能对电子产品的生产具有重要的影响,以先进的电子化学品为材料是能制备出高性能电子产品的重要前提,是推动行业发展、保持企业持久竞争力的关键。多年来,电子化学品始终是电子产品产业链研究和应用的热点问题。
电子信息产业是目前全球发展最为迅速的高新技术产业之一,其发展水平是衡量一个国家工业水平的重要标志。电子化学品相对于基础化工、原料化工,产值产量都较小,但其却是电子信息产业不可或缺的支撑基础。电子化学品的每一次发展突破和技术革新,都会带动电子信息行业的大发展。
近年来,电子化学品的产品种类更齐全、产品性能更优异、应用领域更广泛。随着加工工艺和制造技术的创新,电子化学品已逐渐渗透到国民经济建设和国防安全建设的多个应用领域。也就是说,有高质量的电子化学品做前提保障,才可能制造出高性能的电子元器件。电子化学品在很大程度上影响或制约着下游及终端产业的发展与进步,对于电子产品行业的产业结构调整、优化及升级具有重要作用。
电子化学品的品种多样、规格众多,主要可分为四大类。每一类又可以分为若干个小的子类。据不完全统计,电子化学品的品种大概在2万余种以上。如半导体(IC)材料可分为集成电路和分立器件生产工艺所用的光刻胶、封装材料、高纯化学试剂等;新能源电池化学品按电池材质可分为锂离子电池、碱锰电池、燃料电池等多个品种。
电子化学品涉及到化学工程、精细化工、化学工艺、材料科学与技术、电子信息等多个学科的交叉领域,不同的电子化学品在材料特征、制备工艺、工作原理、应用领域等方面具有较大的差异,不同的电子化学品涉及的专业跨度非常大,另外,单一产品通常具有高度的专属性、应用面窄且集中。比如,液晶材料、光电材料、合金材料、电池化学品与半导体材料之间在制备工艺和应用领域等方面存在本质差异。
基于电子化学品品种繁多、专业领域跨度大、单个产品专用性强等技术特征,企业很难做到精通多个领域的基本知识并掌握其制备技术。因此,就电子化学品而言,其内部又细分为了多个子行业,其生产及加工技术门槛高。基于这些现实问题,电子化学品显著区别于石油化工、精细化工、材料科学等基础化学原材料行业。另外,电子化学品行业的普遍现象是,龙头企业所占的市场份额较大,每种材料市场上仅存在少量的供应企业,企业专注度很高。
电子化学品属于多学科交叉领域,对企业要求较高,研发人员和工程技术人员需要具有多学科知识背景并需要对上下业具有深刻的认识。电子化学品与上游和下业密切相关,例如,随着新能源行业、信息行业、电子行业等的快速发展,势必要求电子化学品不断创新并提供更优异的产品,企业需要提高研发实力、推动行业发展。
电子化学品是电子化学品-元器件/部件-整机产业链的前端,其工艺水平和产品质量直接对元器件/部件的功能和性状构成重要影响,进而通过产业传导影响到终端整机产品的性能。例如,功能电解液对铝电解电容器的电容量、使用寿命及工作稳定性等具有关键性影响,而电容质量的好坏将对下游家电、汽车、通讯设备等终端产品的工作质量和寿命有直接影响。
元器件乃至整机产品的升级换代,依赖于电子化学品的技术创新和进步。电子化学品功能的重要性决定了产品附加值较高、质量要求严的特点。下游客户尤其是重要品牌客户,对电子化学品质量控制要求非常严格,其合格供应商的认证时间长、程序复杂,认证通过后通常会与其合格供应商建立长期稳定的合作关系,期间很少更换供应商。
过去十年,全球电子工业发展迅猛,相应的电子化学品行业也处于高速成长阶段。全球电子工业化学品在2010~2015年间的年均复合增长率为13%,2015年全球电子化学品市场规模超过450亿美元。中国电子化学品行业复合增速在15%,2015年国内市场容量达到了490亿元人民币。
自2011年来,电子化学品行业在电子产业发展的带动下,行业持续增长,比同期化学工业增速高出多倍,是化工领域最具发展潜力的细分行业。近几年来,电子化学品行业市场规模快速稳步增长,生产技术能力稳步提升,企业实力进一步增强。同时,中国电子化学品行业增速超过全球,这也引出了下一行业现状。
目前,亚太地区尤其是中国,已经成为全球电子业及其化学品的主导市场。包括陶氏、霍尼韦尔、三菱化学和巴斯夫等公司竞相将电子化学品业务重点放在包括中国及亚太地区。中国丰富的原材料、相对低廉的劳动力成本以及靠近下游需求等方面优势明显,电子化学品产能向国内转移已成为大势所趋。近年来,长三角地区新建了大量从日韩及台湾转移到国内的电子化学品工厂,作为该地区电子工厂的配套企业。
不同于大化工的政策限制,电子化学品属于新材料行业,政策上,国家支持力度逐步加大。国内接连出台了《战略性新兴产业“十二五”规划》,《化工新材料“十二五”专项规划》等重大政策,同时,十三五化工材料规划中也将电子化学品明确列为鼓励发展的行业,相应的各行业细分鼓励措施和政策也接连推出,诸如氟化工准入、稀土准入与整合、集成电路“国八条”等。在液晶材料、PCB化学品、封装材料、高纯试剂、电容器化学品、电池材料、光伏化学品、电子用药品试剂以及电子氟化工、电子磷化工等领域国内企业已具备参与国际竞争的实力,在政策利好下,国内电子化学品行业将呈现高增长态势。
电子化学品连接了电子信息与化工新材料两大产业,近年来得到持续发展,,是化学工业中最具活力和发展潜力的细分领域。在过去10年里,国家出台了一系列针对电子化学品行业的政策,提供行业较为开放的政策环境。预计到2020年,全球电子化学品的市场规模将达到4000亿元以上,届时我国市场自给率将超过55%。
我国拥有全球最大、增长最快的电子信息市场。随着我国经济发展方式的转变,产业结构加快调整工业化和信息化深度融合,大力推进消费,消费电子行业的爆发式增长,包括智能手机,大屏幕显示设备,可穿戴电子设备等,对电子化学品的需求将大幅增长。目前我国已成为世界最大的电子化学品消费国,未来所占世界份额还将进一步上升,国内发展电子化学品行业具有产业基础优势和靠近市场的地域优势,具有广阔的发展前景。
电子化学品行业的工程建设项目分为两大类:一是应用类项目,二是生产类项目。
应用类项目属电子信息行业,其主要是电子化学品的存储和使用,大多为平板、集成单路、电池等电子工厂的附属配套项目,作为电子产品生产过程中的一个重要子项,主要关注点是确保化学品供应的连续性和稳定性。其特点是,子项投资在整个项目的投资中占比较低,一般不超过5%,但其工艺的稳定性和连续性却至关重要,一旦供应及产品质量出现问题,将影响全厂的生产稳定性。因此,电子工厂在选择电子化学品子项的工程公司时,非常注重其工程质量、以往项目经验及行业口碑。这对于工程公司来说,项目的质量是第一重要的,如果有一个项目出现质量问题,将会对后期承接项目产生极其不利的影响。
生产类项目属于精细化工行业或材料行业,主要是电子化学品的生产和制造,多是独立的装置和工厂。其建设特点类似于精细化工工程。由于电子信息产业飞速发展,与之配套的电子化学品生产行业也相应发展迅速,实化工行业中发展速度最快,最有活力的细分行业。产品的更新换代和生产工艺更新也较传统化学品快很多。生产类项目根据电子化学品的生产工艺不同,可以分为纯化类、合成类和混配类三种类型。纯化类主要为各种普通化工原料为适应与电子级纯度进行的纯化净化过程,包括物理纯化和化学纯化。合成类工艺主要为电子化学品新材料,包括液晶材料、各种有机基膜、电容材料、含氟化合物等。其主要工艺过程为有机合成和化学反应过程,技术难度高,材料研发周期长、投入大,是工程化难度最大的一类。混配类工艺是将上述两种工艺生产的材料进行混合调配,以满足电子工业需要,如液晶混晶、锂电池电解液、粘合剂、光刻胶等。其生产工艺相对简单,技术难度小,是国内目前工程化实施最好的一类。
根据上述电子化学品工程的类型及需求,电子化学品工程建设有其不同于电子工程和化工工程的独特特点,主要如下:
纯度和洁净度要求高,电子化学品一般用于生产电子元器件,其产品本身的纯度相对于传统化学品要求高很多,很多电子化学品的纯度甚至高于分析纯的要去。由于产品本身的纯度要去,工程建设中对其工艺装置和生产环境自然提出了更高的洁净度要求。洁净环境、洁净包装、洁净运输及储存都比传统化学品要求高。
产品类型多品种杂,电子化学品一般终端用量都比较小,有些产品全球年产量才10多吨,但是一个电子元器件中可能用到的化学品种类多达几十种,其最大的特点就是小而杂。因此,在电子化学品的生产装置中,小量多批次生产工艺、功能性的设备和装置是非常常见的,工程建设要考虑装置的适应性和灵活性,强灵活性的装置才能适应市场需求。
电子化学品的原料、中间体及产品物料特殊,不常见,物性数据少。在工程设计时基础数据相对于大宗化学品及其缺乏,从设计的依据上来说,是一个挑战。同时,其工艺设备特殊:以物料提纯为例,大型化工装置或炼油装置的液体分离方式多为精馏分离。但电子化学品由于其材料繁杂,物性特殊,仅精馏工艺很难适应各种分离需求,因此分离提纯单元设备繁杂,除精馏外,常见的还有萃取、结晶,升华,凝华特殊专用分离工艺。由于工艺改变,相应的分离设备也需要特殊设计,生产线中非标设备数量很多。
由于电子化学品工程建设过程有其相对于大宗化学品工程的独特特征,其工程设计过程也有不同与传统化学品装置设计的特点。
电子化学品的杂质来源主要由原料和外界带入。原料中的杂质可以通过原料控制和生产工艺本身来去除。而环境控制是电子化学品项目的产品质量保障之一,具有十分重要的意义。生产车间、辅助车间、实验室等都应有不同的清洁度要求。工程设计时,一般会按照《洁净厂房设计规范》(GB50073),结合生产工艺要求,将工厂分为非洁净区和洁净区进行设计。从原料、中间产品、成品到包装的生产过程,对主生产车间的洁净度要求是逐步严格的,可以将生产车间设计为万级、千级到百级的不同洁净级别洁净区。
电子化学品生产过程中,与物料直接接触的设备、管道、泵、阀门的材质尤为关键。一般情况下,电子级化学品的纯度要求都很高,并且很多有腐蚀性,爆炸性危险化学品。选用一般钢材、不锈钢,塑料产品达不到产品质量要求。根据不同物料的特性和纯度要求,选用的合适的材质是设计中应该注意的问题,选用的材料一般要考虑杂质的溶出率极低,不产生二次污染,抗腐蚀性等性能要求。
电子化学品生产和使用过程中,很多工艺涉及到纯水和特气的使用,各种工艺辅助气体、水等辅助物料必须经物理和化学方法净化,防止带入固体微粒等杂质,辅助物料的纯度直接影响到产品的质量。设计中对于公用工程物料的纯度也需要考虑,这不同于传统化工装置的公用工程物料的选用。此外,电子化学品项目还涉及到多种辅助的公用系统,包括灌装、废气废水处理,废化学品回收、实验室、检测中心等,这些辅助工程对于化学品项目的成败有极大的影响,根据SEMI数据显示,电子化学品的污染80%是在灌装和运输过程中产生的。此外,检测中心也是影响化学品销售的关键,合格的检测设施和检测能力,是保证下游认证的关键因素,国内很多电子化学品厂家因为没有检测能力,外协检测取样污染,严重影响检测效果和效率。
电子化学品生的产品专业性强,产品参数独特,产品的投入与产出量必须经过严格的平衡计算处理和过程记录。物料衡算时,需要考虑产品的合理损耗,部分工艺由于其最终产品收率很低,而且中间产品也可作为产品销售,物料核算时也需要考虑联产品和副产品。另外,对于同种装置生产不同种类产品时,物料衡算要根据每种产品分别进行。
电子化学品生产工艺多为间歇式过程,设计过程中需要考虑间歇过程的设计。间歇过程属于非稳态过程,其相对于连续生产过程来说,变量和影响生产稳定性的因素增多,同时存在周期性生产设备全局停工检修程序。
在自动控制设计方面,系统中存在大量的顺序控制过程,生产工艺的前后逻辑关系非常重要,这是和连续控制最大的不同。电子化学品是典型的流程型生产模式,更加强调生产过程中的跟踪和调整。间歇生产也导致产品批次不同,产品质量不稳定,这对下游需求有严重影响。国内以发生过多次由于批次产品抽检不合格导致供应商资格吊销的事件。目前,国内高纯度电子化学品供应商和国际供应商的主要差距就在产品质量不稳定上,国内也能生产高纯度化学品,但不同批次质量差异较大,检测费时费力,导致下游客户不敢大批量使用。
由于电子化学品种类繁多、附加值高,生产项目又多为中小规模,AG真人 AG平台对于设计、工艺控制和工程等方面的要求更高,因此需要专业的设计和建设团队来执行,目前国内的工程公司或设计院,无论化工行业或电子行业,很少有专门针对电子化学品行业的工程团队(电子院和个别省化工院目前已经有专门部门来执行相关项目,但相比化工项目才刚起步)。一般大型的化工院,对某一类电子化学品工程,不是特别熟悉,同时由于电子化学品项目不同于传统化工项目的特点,如果没有专门的团队来执行,往往结果并不理想。因为项目投资较小,大型设计院又不熟悉行业特性和产品性能,利润有限,导致设计院不够重视,最终导致项目执行不好。也有部分业主选择自己来做设计,但一是没有资质,按照国家的规范生搬硬套,二是对工程建设细节并不熟悉,最终结果是与最初的设计目标有偏差,还达不到想要的效果。另一方面,电子行业的工程公司更聚焦于大型电子厂房的设计和建设,对于电子化学品装置的设计并不擅长,但是其对用户的需求非常了解。如何弥补这一行业需求和不同工程公司所能提供服务之间的差距,行业内的企业有必要思考。
重视对电子化学品装置领域的研究和建设,建立专业化团队,提高其设计,采购,施工水平。由于电子化学品工程设备种类繁杂,对于供应商的积累和采购资源建设也是极其重要的,没有大量合格的供应商资源,很难保证工程建设的质量和进度,需要通过大量的项目建设积累,具备完善的供应商体系。
工程公司迎合和研究部门、协会、生产企业之间的联合协作,共同做好设计基础数据的采集和编制工作。这是基于电子化学品原料及产品物性特殊的特点提出的,传统的化工装置,在设计阶段,有大量的基础物性数据支持,可以做工艺的优化模拟,但很多电子化学品属于新研发出来的物质,基础物性非常少,这对工艺优化,安全环保设计都是挑战。基础物性的收集和整理需要多单位合作,但对于工程公司来说,这些数据是工程建设的基础依据,必须去主动收集整理,才能提高自身的竞争优势。
注重工程设计和建设质量,做好客户的长期服务。电子化学品行业由于其自身特点,每一类细分材料其行业领导企业数量很少,数量一般2-5家左右。其工程建设也有类似垄断性,生产线的规模,先进程度及升级速度对企业在行业内的地位影响很大,如何为企业做好长期不断升级的工程服务,加强企业在该领域内的技术和领先优势,和客户长期合作是至关重要的。
一个行业从兴起到成熟,需要时间去积累,需要实践去磨练。希望未来几年国内电子化学品和相关的材料行业能异军突起,逐步完成国产化替代,为芯片安全提供保障。AG平台真人 真人AG 平台官网