潔凈室行業(yè)深度報告：高端制造業(yè)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(dòng)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(mǎn)足使用需求。潔凈室最主要的作用在于控制在其內生產(chǎn)的產(chǎn)品所接觸的空氣的潔凈度及濕度等各項指標符合標準，使產(chǎn)品能在一個(gè)具有良好條件和高度穩定性的環(huán)境空間中生產(chǎn)制造�，F代潔凈室的誕生起源于戰爭時(shí)期的軍事工業(yè)。1950 年代，朝鮮戰爭時(shí)期，美國軍隊在戰爭中發(fā)現大量電子儀器出故障，有超過(guò) 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(jià)的 2 倍，原因在于零部件可靠性差，質(zhì)量不穩定。

最終，美軍找到了主要的原因是灰塵作怪，工廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境不清潔，導致生產(chǎn)出來(lái)的零部件合格率低，盡管當時(shí)采取非常嚴密的措施來(lái)封閉生產(chǎn)車(chē)間，但是收效甚微，后來(lái)將高效空氣過(guò)濾器應用于生產(chǎn)車(chē)間后，才解決問(wèn)題，這也是現代潔凈室的誕生。

潔凈室行業(yè)的發(fā)展有 5 個(gè)階段，每個(gè)階段的發(fā)展和進(jìn)步都源于制造業(yè)技術(shù)升級帶來(lái)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器加工和電子儀器的發(fā)展，出現了層流技術(shù)和百級潔凈室;

第三階段是 1970 年代集成電路開(kāi)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 年代大規模和超大規模集成電路的發(fā)展帶來(lái)對潔凈室要求的進(jìn)一步提高;

第五階段則是從 1990 年代開(kāi)始到現在，半導體技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，生產(chǎn)線(xiàn)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(shí)，傳統領(lǐng)域如醫療制藥、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(lái)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(guò) 10 個(gè)，中國的劃分標準為十級，百級，千級，萬(wàn)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(gè)直觀(guān)的類(lèi)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(gè)，粒子占空間比例為 5.23*10^-21，可查太平洋的面積為 16500 萬(wàn) 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(gè)粒子的體積為 370 毫升，相當于一條魚(yú)的體積，即 ISO1 級潔凈標準相當于整個(gè)太平洋不超過(guò) 10 條魚(yú)。 

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(diǎn)、材料使用等都做了詳細的說(shuō)明和指導。

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

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(lái)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(fā)生量;

2、迅速排出室內已經(jīng)發(fā)生的污染;

3、有效阻止室外的污染侵入。

第 1 點(diǎn)和第 3 點(diǎn)都可以通過(guò)封閉性和化學(xué)設備等解決，而核心的第 2 點(diǎn)則需要利用流體力學(xué)的物理原理。在流體力學(xué)中，按照運動(dòng)要素流速、加速度等有無(wú)時(shí)間因素可以分為穩定流與不穩定流，按照流線(xiàn)形狀可以分為漸變流和突變流，按照有無(wú)質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)為從來(lái)流到出流之間氣流的流通斷面是變化的，也稱(chēng)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 10000 級。而高效過(guò)濾器風(fēng)口頂送則將高效過(guò)濾器放置在送風(fēng)口，一般帶擴散板，是一種常見(jiàn)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(fēng)口送入室內時(shí)，迅速向四周擴散、混合，同時(shí)把差不多同樣數量的氣流從回風(fēng)口排走，這股干凈氣流稀釋室內污染的空氣，把原來(lái)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(diǎn)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(gè)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(jìn)風(fēng)面布滿(mǎn)高效過(guò)濾器，整個(gè)送風(fēng)面是一個(gè)大送風(fēng)口，送風(fēng)氣流經(jīng)靜壓箱和高效過(guò)濾器的均壓均流作用，從送風(fēng)口到回風(fēng)口氣流流線(xiàn)彼此平行，充滿(mǎn)全室斷面，以均速向前推進(jìn)，就像個(gè)大活塞，把室內原污染空氣排入回風(fēng)口，從而達到凈化室內空氣的目的。由于氣流的流線(xiàn)始終是平行的，無(wú)渦流，因此層流亦稱(chēng)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(yōu)點(diǎn)是可獲得均勻向下的單向氣流，因而自?xún)裟芰�強，能夠達到最高的潔凈度級別，缺點(diǎn)是頂棚結構較復雜，造價(jià)和維護費用高，高效過(guò)濾器堵漏較困難�！稘崈魪S(chǎng)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(lái)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(chǎn)設備的發(fā)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(huán)風(fēng)量小，運行成本最低，設備成本也最低。

2、灰塵和化學(xué)物質(zhì)的去除 

潔凈室過(guò)濾灰塵的儀器主要有高效空氣過(guò)濾器(High Efficiency Particulate AirFilter，簡(jiǎn)稱(chēng) HEPA)，超高效空氣過(guò)濾器(www.bacclean.com)(Ultra Low Penetration Air Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)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到99.7%以上，是煙霧、灰塵以及細菌等污染物最有效的過(guò)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(chǎn)生�？諝庵械幕覊m主要由設備運轉、生產(chǎn)過(guò)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，對作業(yè)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(fēng)都要嚴格的要求。除了灰塵以外，化學(xué)物質(zhì)也是潔凈室需要重點(diǎn)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)，有機物，摻雜性氣體等，主要來(lái)源為大氣、生產(chǎn)中使用的化學(xué)用品，建材等，在車(chē)間生產(chǎn)過(guò)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，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(diǎn)考慮的一個(gè)方面。

潔凈室工程產(chǎn)業(yè)鏈:輔助制造，投資驅動(dòng)

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(lái)源于準備建廠(chǎng)的業(yè)主，比如晶圓制造商、面板生產(chǎn)商等，潔凈室建設完成之后再交付給業(yè)主，業(yè)主使用潔凈室來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，故潔凈室工程并不單獨存在，而是生產(chǎn)廠(chǎng)商的輔助性工程，但同時(shí)，也是高端制造不可或缺的一部分。

新建潔凈廠(chǎng)房可以分為工程設計、土建施工、潔凈室施工 3 個(gè)環(huán)節。潔凈室工程始于業(yè)主新建廠(chǎng)房計劃，在業(yè)主確定建廠(chǎng)計劃后，會(huì )聯(lián)系具有設計資質(zhì)的設計商為工廠(chǎng)做整體設計方案，由于潔凈室工程在廠(chǎng)房建設中處于重要地位，故在工程設計的過(guò)程中設計方會(huì ) 和業(yè)主反復溝通，確定潔凈廠(chǎng)房的建造方案和技術(shù)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)始于工程開(kāi)始 1 年以后。從簽訂協(xié)議開(kāi)始，工程設計時(shí)間一般 3 個(gè)月左右，總體設計方案完成之后就開(kāi)始土建施工，在土建施工持續 9-12 個(gè)月，廠(chǎng)房封頂后，潔凈室施工開(kāi)始，潔凈室施工持續時(shí)間 9-12 個(gè)月左右，在潔凈室施工完成之后，開(kāi)始搬入生產(chǎn)設備，調試完成之后，進(jìn)入試產(chǎn)階段，試產(chǎn)階段持續時(shí)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)節投資分拆

通過(guò)對行業(yè)內各個(gè)環(huán)節公司的微觀(guān)調研，大致得到了集成電路和新型顯示潔凈室工程各環(huán)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(lái)說(shuō)，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(chǎng)房建設中，廠(chǎng)房建設可以分為 3 個(gè)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(gè)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(chǎn)投資占總投資比例 70%-80%，廠(chǎng)房建設占固定資產(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(wàn)片的 12 寸晶圓廠(chǎng)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(yíng)運資本中，在固定資產(chǎn)中大約70%投入設備采購中，包括曝光機，刻蝕機等生產(chǎn)設備，固定資產(chǎn)投資的 30%投入到廠(chǎng)房建設中。以華星光電 244 億的 8.5 代顯示面板產(chǎn)線(xiàn)為例，固定資產(chǎn)投資占總投資比例為 70%，其中設備投資占 70%，廠(chǎng)房投資占 30%。

行業(yè)中觀(guān)數據也統計出廠(chǎng)房建設投資占固定資產(chǎn)投資比值為 31%，與微觀(guān)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(chǎn)投資數據，2008-2015 年集成電路廠(chǎng)房投資占固定資產(chǎn)投資比例平均為 31%，和微觀(guān)數據相符。

集成電路技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)投資帶來(lái)潔凈室工程新需求

潔凈室主要應用領(lǐng)域包括電子、制藥、生物工程、醫療衛生、食品、實(shí)驗室和軍工等行業(yè)。潔凈技術(shù)已廣泛應用于各行各業(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)境的內容、指標均不相同。最常見(jiàn)最依賴(lài)潔凈室為生物制藥生產(chǎn)潔凈室，食品，化妝品，電子廠(chǎng)，實(shí)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)的復雜程度與日俱增，對于空氣潔凈度的要求也越來(lái)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(yè)比如食品制造，藥品，醫學(xué)等行業(yè)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(kāi)始，在政策和資金的雙重推動(dòng)下，我國集成電路行業(yè)迎來(lái)投資的密集期。在集成電路產(chǎn)業(yè)基金、國家科技重大專(zhuān)項及地方基金等國家隊的帶動(dòng)下，集成電路產(chǎn)業(yè)投資開(kāi)始爆發(fā)，比如存儲器市場(chǎng)，自 2015 年開(kāi)始，我國存儲器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)從零起步，正逐漸形成紫光/長(cháng)江存儲系、福建晉華以及合肥長(cháng)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(chǎn)業(yè)發(fā)展最先受益的環(huán)節。

潔凈室工程是集成電路制造環(huán)節中重要的一環(huán)，直接決定了最終產(chǎn)品的成敗�，F代集成電路制造工藝已經(jīng)達到 14 納米級別，未來(lái)幾年內 7 納米工藝即將誕生，集成電路的制造過(guò)程一般為自動(dòng)化軟件把算法邏輯生成硬件電路開(kāi)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(jīng)過(guò)各種表面處理后，與光刻板一起經(jīng)過(guò)包括光刻、熱處理、介質(zhì)沉積、化學(xué)機械研磨等工藝最終形成集成電路芯片。如果生產(chǎn)過(guò)程中潔凈程度達不到要求，產(chǎn)品良品率會(huì )受到很大影響，最終產(chǎn)品就會(huì )失敗。

隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，集成電路對潔凈度的要求越來(lái)越高。一般而言，當微粒尺寸達到集成電路節點(diǎn)一半大小時(shí)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(huì )影響制造過(guò)程。隨著(zhù)集成電路的工藝越來(lái)越高，目前 5 納米的工藝已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)，集成電路制造過(guò)程需要的潔凈程度越來(lái)越高，對于潔凈室工程的技術(shù)提出越來(lái)越高的要求。

與產(chǎn)業(yè)投資增速同步，潔凈室工程市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)。

我們主要通過(guò)以下三個(gè)步驟來(lái)測算集成電路產(chǎn)業(yè)潔凈室工程的市場(chǎng)容量: 

(1) 計算 2010 年以來(lái)我國集成電路產(chǎn)業(yè)投資額度，主要通過(guò)所有已經(jīng)公布的國內集成電路已完成、在建設以及未開(kāi)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(guò)我們之前的分析，根據潔凈室工程市場(chǎng)以及各個(gè)環(huán)節與總投資的比例關(guān)系，計算出未來(lái)幾年各個(gè)細分環(huán)節的市場(chǎng)容量。

(3) 通過(guò)比較 2011 年到 2015 年國家統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(lái)大致檢驗我們方法的可行性。

根據已經(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(guò) 1 萬(wàn)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(lái)我國所有的已建成、正在建設、計劃建設的面板產(chǎn)業(yè)項目，并根據項目工期估計每個(gè)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，根據計算，我國面板產(chǎn)業(yè)項目投資在 2016 年開(kāi)始高速增長(cháng)，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%。