從海外巨頭看國(guó)產(chǎn)替代：拆解住友化學(xué)的新材料板塊
以下文章來(lái)源于果殼硬科技?，作者付斌
“材料”是引領(lǐng)硬科技領(lǐng)域革新的重要力量，是產(chǎn)品的血與肉。正如馬克·米奧多尼克在《迷人的材料》一書(shū)所說(shuō)，“拿掉混凝土、玻璃、織物、金屬和其余材料，我就只能光溜溜地飄在空中發(fā)抖?！蹦玫粲部萍碱I(lǐng)域的各種材料，我們至今取得的所有成就都將不復(fù)存在。
無(wú)論在能源，還是半導(dǎo)體，國(guó)際化工、材料巨頭住友均有著幾十年乃至上百年的研發(fā)歷史，也擁有可觀的專(zhuān)利壁壘、核心工藝與品牌勢(shì)能，成為今天國(guó)產(chǎn)替代話(huà)題中繞不開(kāi)的供應(yīng)商。
其從一家銅礦冶煉廠(chǎng)起家，在四百年間成為一家綜合型硬科技公司，在先進(jìn)材料領(lǐng)域成為不容忽視的存在。材料大廠(chǎng)住友的實(shí)力到底有多強(qiáng)？有哪些產(chǎn)品有待國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商取代和占領(lǐng)？
本文將拆解住友這家公司的架構(gòu)，布局的重點(diǎn)先進(jìn)材料和對(duì)應(yīng)類(lèi)型材料的中外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。
作為一個(gè)企業(yè)聯(lián)合體，住友集團(tuán)是日本最古老的企業(yè)集團(tuán)之一，擁有四百多年歷史，與三菱集團(tuán)、三井集團(tuán)并列為日本三大經(jīng)濟(jì)集團(tuán)。
建立初期，住友集團(tuán)核心企業(yè)為住友銀行、住友金屬工業(yè)（現(xiàn)已離開(kāi)集團(tuán)）及住友化學(xué)三家企業(yè)，被稱(chēng)為“住友御三家”。近年隨著各家企業(yè)合并及業(yè)務(wù)變化，前述三家企業(yè)被住友商事、住友電氣工業(yè)及NEC取代，并誕生了“住友新御三家”。
住友化學(xué)作為集團(tuán)先進(jìn)材料的主體公司，成立于1913年，前身是肥料制造所，現(xiàn)發(fā)展為綜合化工企業(yè)，材料方面涵蓋石油化工、能源、半導(dǎo)體、醫(yī)藥等。同類(lèi)企業(yè)有德國(guó)巴斯夫、美國(guó)亞什蘭、美國(guó)Arch化學(xué)品、德國(guó)默克，日本關(guān)東化學(xué)、三菱化學(xué)、京都化工等。
據(jù)住友化學(xué)2022年H1財(cái)報(bào)顯示，公司主要?jiǎng)澐譃楸匦杌瘜W(xué)品部門(mén)、能源·功能材料部門(mén)、信息電子化學(xué)部門(mén)、健康·農(nóng)業(yè)相關(guān)事業(yè)部門(mén)、醫(yī)藥品部門(mén)及其它六大部門(mén)，營(yíng)收占比分別為30%、11%、14%、19%、21%、5%。
住友化學(xué)部門(mén)業(yè)務(wù)占比情況
超級(jí)工程塑料，又稱(chēng)作特種工程塑料，是上世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)綜合性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)型耐熱性工程塑料，具備高強(qiáng)度、高質(zhì)量、耐輻射、耐化學(xué)藥品和耐高溫的特點(diǎn)。其最終目標(biāo)是以塑代鋼、以塑代木。
具體來(lái)說(shuō)，超級(jí)工程塑料包括聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚芳脂（PAR）、聚酰胺-聚亞胺（PAI）、熱塑性聚酰亞胺（PI）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚醚酮（PEEK）、液晶聚合物（LCP）、高溫尼龍（PPA）等。該行業(yè)技術(shù)壁壘高，生產(chǎn)過(guò)程涉及化學(xué)化工、新材料、自動(dòng)化控制等學(xué)科。
工程塑料的金字塔結(jié)構(gòu)
目前超級(jí)工程塑料中，品種型號(hào)最多的是聚酰亞胺（PI），已有幾十個(gè)商業(yè)化品種；市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展最快的為聚苯硫醚（PPS），國(guó)際市場(chǎng)售價(jià)約15萬(wàn)元/噸，已成為特種工程塑料中產(chǎn)量最大、售價(jià)最低的品種；最具開(kāi)發(fā)潛力的為聚芳醚酮（PAEK），它始于1981年英國(guó)ICI公司，綜合性能優(yōu)異，但售價(jià)較貴，目前處于下游開(kāi)拓期，正從高可靠領(lǐng)域拓展至民用市場(chǎng)。
住友化學(xué)的超級(jí)工程塑料產(chǎn)品包括用于電子電氣的液晶高分子聚合物（LCP）以及用于飛機(jī)制造、高性能分離膜材料、耐高溫涂層的聚醚砜（PES），其產(chǎn)品具有高耐熱性、高強(qiáng)度、高耐化學(xué)品性、高加工性能，能夠滿(mǎn)足輕量化、精密化材料要求。
住友電木的PPS樹(shù)脂成型材料是以耐熱性、耐化學(xué)品性的聚苯硫醚（PPS）為原料制成，可用于藍(lán)光、DVD光學(xué)讀取頭。
我國(guó)超級(jí)工程塑料與國(guó)際存在一定差距，國(guó)際超級(jí)工程塑料研發(fā)始于20世紀(jì)60年代后期，而我國(guó)則起步于20世紀(jì)90年代中后期，多數(shù)產(chǎn)品對(duì)外依存度達(dá)70%以上。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，中國(guó)基礎(chǔ)樹(shù)脂合成企業(yè)少，改性加工企業(yè)多，在技術(shù)上投入不足導(dǎo)致供應(yīng)不足，專(zhuān)用料比例低，中低檔產(chǎn)品多，關(guān)鍵核心產(chǎn)品高度依賴(lài)進(jìn)口，且產(chǎn)研脫節(jié)。
2020年國(guó)內(nèi)超級(jí)工程塑料需求量和進(jìn)口依存度
另外，雖然中國(guó)已在聚醚醚酮 (PEEK) 、聚酰亞胺 (PI) 、聚苯硫醚 (PPS) 等部分樹(shù)脂品種實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但研發(fā)主體多為科研院所，缺乏技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)，專(zhuān)利技術(shù)總量偏低，關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備不足，科研成果轉(zhuǎn)換低。反觀住友化學(xué)則持續(xù)在超級(jí)工程塑料領(lǐng)域申請(qǐng)新專(zhuān)利，不斷鞏固行業(yè)中地位。
2019年超級(jí)工程塑料專(zhuān)利申請(qǐng)情況
能源和電子是硬科技投資近年來(lái)爭(zhēng)奪的主戰(zhàn)場(chǎng)，材料領(lǐng)域更是突破不斷。
以下，將逐一分析光刻膠、化合物半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體氣體、鋰離子二次電池材料、高純鋁、氧化鋁、聚合物OLED材料、金剛石方面情況。
光刻膠
集成電路制造過(guò)程中，可以說(shuō)，光刻和刻蝕是最重要的工藝，占芯片制造時(shí)間的40%~50%，占制造成本約30%。而光刻膠則是光刻過(guò)程中必需的材料，光刻膠質(zhì)量直接影響半導(dǎo)體集成電路及器件的制程精度。
光刻膠主要分為兩大類(lèi)：不溶于顯影液且在光源照射下變成可溶物質(zhì)的，被稱(chēng)為正性膠；可溶于顯影液且在照射下變成不可溶物質(zhì)的，則為負(fù)性膠。
光刻膠主要原材料占比從大到小分別是溶劑（50%~90%）、樹(shù)脂（10%~40%）、光引發(fā)劑（1%~6%）及添加劑（<1%）。
隨著制程工藝升級(jí)，光刻膠也在不斷進(jìn)化，進(jìn)化路徑為g線(xiàn)（436nm）、i線(xiàn)（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、EUV（13.5nm）。隨著制程來(lái)到4nm，EUV光刻技術(shù)已成剛需，也就是說(shuō)，誰(shuí)能掌握EUV光刻膠，誰(shuí)就能掌握住未來(lái)。
已發(fā)表科研論文中的EUV光刻膠性能匯總
當(dāng)然，光刻膠也并非全部都用最高端，根據(jù)應(yīng)用，光刻膠可分為半導(dǎo)體用光刻膠、平板顯示光刻膠、PCB用光刻膠。
住友化學(xué)是老牌光刻膠企業(yè)，面對(duì)高端芯片廣闊的市場(chǎng)空間，正向不斷擴(kuò)大在先進(jìn)制程上的影響力。2021年8月，住友化學(xué)稱(chēng)，決定加強(qiáng)用于先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的光刻膠生產(chǎn)系統(tǒng)，除在大阪工廠(chǎng)擴(kuò)建浸沒(méi)型ArF和EUV光刻膠生產(chǎn)線(xiàn)外，還計(jì)劃通過(guò)其全資子公司Toyu Finechem在韓國(guó)建立新的ArF浸沒(méi)型光刻膠生產(chǎn)工廠(chǎng)。大阪工廠(chǎng)計(jì)劃于2023財(cái)年上半年開(kāi)始投產(chǎn)，韓國(guó)新廠(chǎng)計(jì)劃于2024財(cái)年上半年開(kāi)始投產(chǎn)。
住友電木則提供光刻膠用樹(shù)脂（酚醛樹(shù)脂），可提高用于半導(dǎo)體、LCD的光刻膠的敏感度、殘膜率、分辨率、耐熱性等指標(biāo)。
我國(guó)光刻膠正面臨極高技術(shù)壁壘和專(zhuān)利壁壘，目前以中低端產(chǎn)品為主，且未有企業(yè)能規(guī)模化量產(chǎn)EUV光刻膠。
數(shù)據(jù)顯示，2021年國(guó)產(chǎn)光刻膠市場(chǎng)達(dá)93.3億元，同比增長(zhǎng)11.7%，高于同期全球光刻膠增速5.75%，預(yù)計(jì)2026年國(guó)產(chǎn)光刻膠在全球市場(chǎng)的占比，有望從2019年的15%左右提升到19.3%。
化合物半導(dǎo)體材料
半導(dǎo)體擁有四代材料，第一代以鍺和硅為代表；第二代以20世紀(jì)80年代和90年代相繼產(chǎn)業(yè)化的砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表；第三代以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表；第四代則是在2005年以后逐漸被重視的4eV以上的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，以氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）和金剛石為代表。
相比硅基半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)的性能更強(qiáng)，目前化合物半導(dǎo)體主要用于功率半導(dǎo)體、射頻、LED領(lǐng)域，其中砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）被合稱(chēng)為5G時(shí)代雙雄。
不同半導(dǎo)體材料的特性
住友化學(xué)主要提供砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）以及化合物半導(dǎo)體所需的其它材料，住友金屬聚焦在碳化硅（SiC）材料上，而住友電工則生產(chǎn)砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）與氮化鎵（GaN）的基板，市占率均為全球前列。
我國(guó)化合物半導(dǎo)體具體情況如下：
砷化鎵（GaAs）：技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最大的化合物半導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于射頻、無(wú)線(xiàn)通信等。但砷化鎵本身競(jìng)爭(zhēng)力較弱，碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）射頻器件已代替了大部分砷化鎵和部分硅基LDMOS器件，占據(jù)大部分市場(chǎng)。中國(guó)企業(yè)起步晚，產(chǎn)業(yè)鏈話(huà)語(yǔ)權(quán)較弱，且大多為導(dǎo)電型砷化鎵，國(guó)外產(chǎn)商則以半絕緣砷化鎵為主，此外我國(guó)砷化鎵代工產(chǎn)能已供過(guò)于求。
砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈
磷化銦（InP）：技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大，應(yīng)用包括二極管、晶體管、光模塊、雷達(dá)激光器件、射頻器件和傳感器件。2020年全球磷化銦市場(chǎng)規(guī)模還不到10億元，且集中度高，日本住友、日本能源、英國(guó)WaferTech、美國(guó)AXT占據(jù)全球主要市場(chǎng)份額，其中住友在2020年全球磷化銦市場(chǎng)份額第一，占比42%。中國(guó)磷化銦制備技術(shù)落后，大尺寸磷化銦晶圓生產(chǎn)能力不足，產(chǎn)能小。展望未來(lái)，光芯片、光模塊將是主要增長(zhǎng)點(diǎn)。
磷化銦產(chǎn)業(yè)鏈
氮化鎵（GaN）：應(yīng)用包括快充、新能源汽車(chē)等，而在射頻領(lǐng)域有望逐步取代砷化鎵的解決方案。頭豹研究院統(tǒng)計(jì)顯示，2021年中國(guó)氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模為303.1億元，預(yù)計(jì)2026年將增長(zhǎng)至1029.7億元。從氮化鎵晶圓到器件，國(guó)內(nèi)不僅擁有眾多老牌企業(yè)，也存在諸多新晉企業(yè)，近兩年投融資動(dòng)作頻繁，基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。國(guó)產(chǎn)氮化鎵的難點(diǎn)在于原材料成本高，高度依賴(lài)進(jìn)口。
碳化硅（SiC）：應(yīng)用包括汽車(chē)、充電設(shè)備、便攜式電源、通信設(shè)備、機(jī)械臂、飛行器等。國(guó)產(chǎn)碳化硅起步晚，與國(guó)外整體技術(shù)水平相差5年~7年。不過(guò)，從碳化硅晶圓到器件，我國(guó)眾多老牌企業(yè)已拓展碳化硅業(yè)務(wù)，也存在諸多新晉企業(yè)，近兩年投融資動(dòng)作頻繁，在2~6英寸的半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)部分國(guó)產(chǎn)替代，8英寸晶圓在研中。
半導(dǎo)體氣體
半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝極為復(fù)雜，不論是集成電路、存儲(chǔ)器、功率半導(dǎo)體還是LED，都需要大量大宗氣體和電子特氣。以半導(dǎo)體芯片制造為例，涉及電子大宗氣體如氮?dú)?、氫氣、氬氣、氦氣、氧氣和二氧化碳等，電子特氣如氖氣、氪氣、氙氣等?/span>
半導(dǎo)體氣體是半導(dǎo)體制造的血液，幾乎每個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)這些氣體，如清洗、沉積/CVD、光刻、刻蝕、離子注入、成膜等工藝，可以說(shuō)，這些氣體對(duì)半導(dǎo)體器件的性能、集成度、成品率起著決定性作用。從價(jià)值上來(lái)看，半導(dǎo)體氣體也是產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈中僅次于硅片的第二大市場(chǎng)需求，在半導(dǎo)體用材料市場(chǎng)占比達(dá)14%，每年用于半導(dǎo)體的電子特氣超過(guò)50億美元。
半導(dǎo)體氣體純度要求嚴(yán)格，常用N表示氣體純度，如6N代表氣體純度為99.9999%，納米級(jí)集成電路普遍需要達(dá)到5N以上的純度。?高質(zhì)量半導(dǎo)體氣體的核心和難度在于提純、儲(chǔ)運(yùn)和純度檢測(cè)。