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潔凈室行業(yè)深度報告：高端制造業(yè)的守護(hù)神
綜合管理中心--符麗
潔凈室是指將一定空間范圍內(nèi)的空氣中的微粒子、有害氣體、細(xì)菌等污染物排除，并將室內(nèi)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(nèi)，而所給予特別設(shè)計的空間。
不論外界空氣條件如何變化，潔凈室內(nèi)均能維持原設(shè)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(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品所接觸的空氣的潔凈度及濕度等各項指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品能在一個具有良好條件和高度穩(wěn)定性的環(huán)境空間中生產(chǎn)制造�，F(xiàn)代潔凈室的誕生起源于戰(zhàn)爭時期的軍事工業(yè)。1950 年代，朝鮮戰(zhàn)爭時期，美國軍隊在戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)大量電子儀器出故障，有超過 80%的雷達(dá)失效，接近 50%的水聲測位儀失效，陸軍中 70%的電子設(shè)備失效，并且每年的維護(hù)費(fèi)用超出原價的 2 倍，原因在于零部件可靠性差，質(zhì)量不穩(wěn)定。
最終，美軍找到了主要的原因是灰塵作怪，工廠生產(chǎn)環(huán)境不清潔，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的零部件合格率低，盡管當(dāng)時采取非常嚴(yán)密的措施來封閉生產(chǎn)車間，但是收效甚微，后來將高效空氣過濾器應(yīng)用于生產(chǎn)車間后，才解決問題，這也是現(xiàn)代潔凈室的誕生。
潔凈室行業(yè)的發(fā)展有 5 個階段，每個階段的發(fā)展和進(jìn)步都源于制造業(yè)技術(shù)升級帶來的對生產(chǎn)環(huán)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(lián)和美國航天事業(yè)，特別是登月工程中精密機(jī)器加工和電子儀器的發(fā)展，出現(xiàn)了層流技術(shù)和百級潔凈室;
第三階段是 1970 年代集成電路開始進(jìn)入發(fā)展期，使得潔凈技術(shù)得以騰飛;
第四階段是 1980 年代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展帶來對潔凈室要求的進(jìn)一步提高;
第五階段則是從 1990 年代開始到現(xiàn)在，半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，生產(chǎn)線精度的進(jìn)一步提高，對生產(chǎn)空間的潔凈度提出新的要求，同時，傳統(tǒng)領(lǐng)域如醫(yī)療制藥、精密儀器等、食品工業(yè)等對潔凈技術(shù)的要求也逐步提高。
潔凈度的標(biāo)準(zhǔn)按照國際標(biāo)準(zhǔn) 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(shù)目來劃分潔凈室級別。比如，以 0.1um 的塵埃粒子為比較標(biāo)準(zhǔn)，ISO1級標(biāo)準(zhǔn)的含義為 1 立方米的空氣中直徑大于等于 0.1um 的粒子數(shù)不超過 10 個，中國的劃分標(biāo)準(zhǔn)為十級，百級，千級，萬級等，分別對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的潔凈程度換算，那么平均每個粒子的體積為 370 毫升，相當(dāng)于一條魚的體積，即 ISO1 級潔凈標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)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(xiàn)之后，頒布了一系列潔凈室工程規(guī)范性文件，對于潔凈室的指標(biāo)要求、工程規(guī)范、施工要點、材料使用等都做了詳細(xì)的說明和指導(dǎo)。
其中《潔凈室廠房設(shè)計規(guī)范》是總括性規(guī)范文件，《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》，《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》，《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》分別對電子行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、手術(shù)室做了更加細(xì)致的指導(dǎo)。
潔凈室技術(shù)原理:流體力學(xué)的藝術(shù)
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(xué)的相關(guān)性質(zhì)來控制室內(nèi)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(fā)生量;
2、迅速排出室內(nèi)已經(jīng)發(fā)生的污染;
3、有效阻止室外的污染侵入。
第 1 點和第 3 點都可以通過封閉性和化學(xué)設(shè)備等解決，而核心的第 2 點則需要利用流體力學(xué)的物理原理。在流體力學(xué)中，按照運(yùn)動要素流速、加速度等有無時間因素可以分為穩(wěn)定流與不穩(wěn)定流，按照流線形狀可以分為漸變流和突變流，按照有無質(zhì)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(fēng)速小，氣流分布均勻，可達(dá)到 1000 級潔凈度，局部孔板頂送與全孔板頂送相比，風(fēng)速大，在墻側(cè)有渦流并部分沿測墻向上翻卷，經(jīng)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(dá) 10000 級。而高效過濾器風(fēng)口頂送則將高效過濾器放置在送風(fēng)口，一般帶擴(kuò)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(dāng)一股干凈氣流從送風(fēng)口送入室內(nèi)時，迅速向四周擴(kuò)散、混合，同時把差不多同樣數(shù)量的氣流從回風(fēng)口排走，這股干凈氣流稀釋室內(nèi)污染的空氣，把原來含塵濃度很高的室內(nèi)空氣沖淡，一直達(dá)到平衡。所以氣流擴(kuò)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(nèi)污染的空氣沿整個斷面排至室外，從而達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的目的。
層流潔凈室的進(jìn)風(fēng)面布滿高效過濾器，整個送風(fēng)面是一個大送風(fēng)口，送風(fēng)氣流經(jīng)靜壓箱和高效過濾器的均壓均流作用，從送風(fēng)口到回風(fēng)口氣流流線彼此平行，充滿全室斷面，以均速向前推進(jìn)，就像個大活塞，把室內(nèi)原污染空氣排入回風(fēng)口，從而達(dá)到凈化室內(nèi)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(jù)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(yōu)點是可獲得均勻向下的單向氣流，因而自凈能力強(qiáng)，能夠達(dá)到最高的潔凈度級別，缺點是頂棚結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價和維護(hù)費(fèi)用高，高效過濾器堵漏較困難。《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，1-4 級潔凈度應(yīng)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(yīng)使用非單向流。綜合來看，垂直層流方式運(yùn)行成本最高，設(shè)備費(fèi)用也最高，部分層流方式由于對生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)熱和排熱分別處理，降低了運(yùn)行成本，設(shè)備成本中等，亂流方式循環(huán)風(fēng)量小，運(yùn)行成本最低，設(shè)備成本也最低。
2、灰塵和化學(xué)物質(zhì)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(fā)直徑的 1/200)以上的微粒去除效率可達(dá)到99.7%以上，是煙霧、灰塵以及細(xì)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(dá)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(nèi)部產(chǎn)生。空氣中的灰塵主要由設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)過程、人員因素產(chǎn)生，這 3 種途徑共計產(chǎn)生了 85%的灰塵。潔凈室關(guān)于灰塵的原則包括 4 條:不將灰塵帶入，不讓灰塵產(chǎn)生，不讓灰塵堆積，迅速排除灰塵，因此，潔凈室內(nèi)，對作業(yè)人員的潔凈服裝，對帶入的工具、材料等，對于設(shè)備的清理和通風(fēng)都要嚴(yán)格的要求。除了灰塵以外，化學(xué)物質(zhì)也是潔凈室需要重點考慮和去除的�；瘜W(xué)物質(zhì)主要分為酸性物質(zhì)，堿性物質(zhì)，有機(jī)物，摻雜性氣體等，主要來源為大氣、生產(chǎn)中使用的化學(xué)用品，建材等，在車間生產(chǎn)過程中要使用大量的化學(xué)物質(zhì)，而雜質(zhì)化學(xué)物質(zhì)很容易和生產(chǎn)用化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，故化學(xué)物質(zhì)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(chǎn)業(yè)鏈:輔助制造，投資驅(qū)動
潔凈室工程屬于生產(chǎn)輔助型工程
潔凈室工程是生產(chǎn)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(zhǔn)備建廠的業(yè)主，比如晶圓制造商、面板生產(chǎn)商等，潔凈室建設(shè)完成之后再交付給業(yè)主，業(yè)主使用潔凈室來進(jìn)行生產(chǎn)活動，故潔凈室工程并不單獨存在，而是生產(chǎn)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(shè)計、土建施工、潔凈室施工 3 個環(huán)節(jié)。潔凈室工程始于業(yè)主新建廠房計劃，在業(yè)主確定建廠計劃后，會聯(lián)系具有設(shè)計資質(zhì)的設(shè)計商為工廠做整體設(shè)計方案，由于潔凈室工程在廠房建設(shè)中處于重要地位，故在工程設(shè)計的過程中設(shè)計方會 和業(yè)主反復(fù)溝通，確定潔凈廠房的建造方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在工程設(shè)計確定之后，下一步就是土建施工，土建施工達(dá)到一定的階段潔凈室工程就開始了，工程設(shè)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(xié)議開始，工程設(shè)計時間一般 3 個月左右，總體設(shè)計方案完成之后就開始土建施工，在土建施工持續(xù) 9-12 個月，廠房封頂后，潔凈室施工開始，潔凈室施工持續(xù)時間 9-12 個月左右，在潔凈室施工完成之后，開始搬入生產(chǎn)設(shè)備，調(diào)試完成之后，進(jìn)入試產(chǎn)階段，試產(chǎn)階段持續(xù)時間不等，試產(chǎn)成功之后慢慢提升產(chǎn)量，最終進(jìn)入量產(chǎn)階段。
產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)投資分拆
通過對行業(yè)內(nèi)各個環(huán)節(jié)公司的微觀調(diào)研，大致得到了集成電路和新型顯示潔凈室工程各環(huán)節(jié)投資占項目總投資百分比。結(jié)合項目案例和調(diào)研數(shù)據(jù)，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(chǎn)，固定資產(chǎn)中 20-30%投入到廠房建設(shè)中，廠房建設(shè)可以分為 3 個部分，工程設(shè)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(tǒng)，總體能分為潔凈系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)，分別占潔凈室工程的 50%，50%。
固定資產(chǎn)投資占總投資比例 70%-80%，廠房建設(shè)占固定資產(chǎn)投資的 20-30%。以臺積電南京的 Foundry 項目為例，一座月產(chǎn)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(chǎn)中，其他 20%投入到營運(yùn)資本中，在固定資產(chǎn)中大約70%投入設(shè)備采購中，包括曝光機(jī)，刻蝕機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備，固定資產(chǎn)投資的 30%投入到廠房建設(shè)中。以華星光電 244 億的 8.5 代顯示面板產(chǎn)線為例，固定資產(chǎn)投資占總投資比例為 70%，其中設(shè)備投資占 70%，廠房投資占 30%。
行業(yè)中觀數(shù)據(jù)也統(tǒng)計出廠房建設(shè)投資占固定資產(chǎn)投資比值為 31%，與微觀結(jié)論一致。根據(jù)國家電子信息統(tǒng)計年鑒中的集成電路固定資產(chǎn)投資數(shù)據(jù)，2008-2015 年集成電路廠房投資占固定資產(chǎn)投資比例平均為 31%，和微觀數(shù)據(jù)相符。
集成電路技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)投資帶來潔凈室工程新需求
潔凈室主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電子、制藥、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、食品、實驗室和軍工等行業(yè)。潔凈技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)或其他要求防止粒子污染、微生物污染的環(huán)境控制，由于各行業(yè)間差距較大，且要求不同，因此控制環(huán)境的內(nèi)容、指標(biāo)均不相同。最常見最依賴潔凈室為生物制藥生產(chǎn)潔凈室，食品，化妝品，電子廠，實驗室，等等對環(huán)境有要求的地方。
由于技術(shù)原因和制造工序的復(fù)雜程度高，集成電路制造是對潔凈度整體要求最高的行業(yè)。集成電路由于技術(shù)的復(fù)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(qū)需保持 1-4 級的潔凈度。而其他大部分行業(yè)比如食品制造，藥品，醫(yī)學(xué)等行業(yè)對潔凈度的要求大多在 5-9 級，遠(yuǎn)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(yè)迎來投資的密集期。在集成電路產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)投資開始爆發(fā)，比如存儲器市場，自 2015 年開始，我國存儲器產(chǎn)業(yè)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(nèi)成為全球前五大存儲器制造商。
潔凈室工程是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最先受益的環(huán)節(jié)。
潔凈室工程是集成電路制造環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，直接決定了最終產(chǎn)品的成敗。現(xiàn)代集成電路制造工藝已經(jīng)達(dá)到 14 納米級別，未來幾年內(nèi) 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(shè)計版圖轉(zhuǎn)印到光刻板上，集成電路的基礎(chǔ)制造材料是硅片，硅片經(jīng)過各種表面處理后，與光刻板一起經(jīng)過包括光刻、熱處理、介質(zhì)沉積、化學(xué)機(jī)械研磨等工藝最終形成集成電路芯片。如果生產(chǎn)過程中潔凈程度達(dá)不到要求，產(chǎn)品良品率會受到很大影響，最終產(chǎn)品就會失敗。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成電路對潔凈度的要求越來越高。一般而言，當(dāng)微粒尺寸達(dá)到集成電路節(jié)點一半大小時就成為了破壞性微粒，對集成電路的制造產(chǎn)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(jīng)開始研發(fā)，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(shù)提出越來越高的要求。
與產(chǎn)業(yè)投資增速同步，潔凈室工程市場將迎來爆發(fā)。
我們主要通過以下三個步驟來測算集成電路產(chǎn)業(yè)潔凈室工程的市場容量:
(1) 計算 2010 年以來我國集成電路產(chǎn)業(yè)投資額度，主要通過所有已經(jīng)公布的國內(nèi)集成電路已完成、在建設(shè)以及未開工的投資項目根據(jù)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(jù)潔凈室工程市場以及各個環(huán)節(jié)與總投資的比例關(guān)系，計算出未來幾年各個細(xì)分環(huán)節(jié)的市場容量。
(3) 通過比較 2011 年到 2015 年國家統(tǒng)計局集成電路固定資產(chǎn)投資額與我們計算的集成電路固定資產(chǎn)投資額，來大致檢驗我們方法的可行性。
根據(jù)已經(jīng)公布的和已經(jīng)建成的新型顯示項目，我國 2010-2019 年總計面板產(chǎn)業(yè)投資超過 1 萬億，2016-2019 年產(chǎn)業(yè)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(shè)、計劃建設(shè)的面板產(chǎn)業(yè)項目，并根據(jù)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(chǎn)業(yè)的總投資金額，根據(jù)計算，我國面板產(chǎn)業(yè)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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