给水排水 【芯片】总说卡脖子，这下卡了动脉

近年来，国际政治经济形势复杂演变，叠加新冠疫情的持续影响世界工业供应链稳定，以及最近俄乌军事冲突等突发因素，共同诱发国际油价和其他大宗商品、原材料价格持续大幅上涨。不但价格猛增，而且供应量还难以保证。这波价格和供应的大幅波动，还卡了我们半导体行业的“动脉”！

半导体产业是构建我国战略科技力量自立自强的核心支撑产业,而半导体生产设备则是决定我国半导体产业高质量发展的关键领域。作为湿法以及光刻环节不可或缺的动力条件，超纯水的水质对半导体相关产品的良率有着非常直接的关联，比如其中的水质指标TOC、Metal、Particle等。

由于超纯水制备系统出口与机台使用点之间的输送管路对于水质的保障非常关键，需要满足上述TOC、金属、微粒子等指标的内表面析出的要求，而且还要承载5Kg左右的压力。而常规的材料PVC、PPH、SUS304、SUS316等材料难以满足。根据Intel以及台湾地区半导体工厂的建厂经验，目前一般都采用PVDF材质的管路。如：金属离子的要求已经进入ppt级别，TOC同样要求在1 ppb以下（见表1），这时候就需要用到高纯PVDF材料（见图1），即高纯度聚偏氟乙烯，它有特殊的分子结构，摆脱了其他氟塑料的低机械强度和加工难度的缺点，具备良好的化学稳定性、耐腐蚀和粘结性，常常被用于半导体超纯水制备及化学品输送管路、阀门等产品制造，可说是半导体的“大动脉”了。

图1 高纯PVDF

表1 半导体厂超纯水水质要求

注：

1 数据来源：ITRS 2023、SEMI F063、ASTM D5127-2013 Type E-1.3

2 目前中国大陆的高阶制程半导体厂超纯水的部分水质指标已经超过该标准

因为比较小众可能很多人不知道是什么， 它有个比较熟知的应用就是锂电池粘结剂，是锂电池关键材料之一。除了锂电池之外，在很多领域都会用到，包括氟碳涂料、光伏背板、涂覆膜领域等（见图2）。

 

相较于普通级PVDF，高纯PVDF在洁净度、分子量、离子析出量等方面有更严格的要求。由于缺口大、门槛高，所以能做PVDF的企业非常少，目前产业链上游供应的原材料（粒料、粉料）做的比较好的主要是苏威、阿科玛等国外厂商，由于PVDF-HP（超纯）的制造环境、产品品质管控、前期市占率的背景，目前全球的PVDF供应商基本仅限于欧洲的GF合Agru两家。当然，德国的Simona以及一些国内厂商比如XY、HS也还在制造洁净室的建造以及产品测试阶段，目前在超纯水系统还未有使用实绩。

自《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》颁布实施，在宏观政策和市场需求的双重驱动之下，我国半导体行业发展势头迅猛。从2011年开始，中国便已成为全球最大的半导体市场，截止到2020年，我国半导体消费市场规模已占全球规模的50%以上，预计到2022年将达到全球份额的60% 。

由于PVDF-HP（超纯）的制造环境、产品品管、前期市占率的背景，目前全球的PVDF供应商基本仅限于欧洲的GF合Agru两家。当然，德国的Simona以及一些国内厂商比如XY、HS也还在制造洁净室的建造以及产品测试阶段，目前在超纯水系统还未有使用实绩。最近因为价格激增，给半导体工厂的新建和维护造成不小影响，并逐步蔓延至整个半导体上下游产业，让PVDF处在风口浪尖。让一直处在“芯片荒”的半导体行业又处于一片风声鹤唳中，被誉为半导体工厂血管的高纯PVDF管道、阀门材料同时也在面临着供货短缺危机，支撑行业发展的大动脉被扼住，那么造成高纯PVDF短缺原因是什么呢？价格之后还会涨吗？这个要从需求端和供给端、价格端三个方面来考虑。

2.1 需求端：刚性具备需求，锂电驱动发展

从需求端来看，受锂电、光伏等下游新能源行业快速增长和新应用领域拓展的影响，PVDF作为锂电池领域的辅料，对于电池的容量和寿命都有很重要的影响，所以锂电粘结剂成了PVDF下游应用里增长最快的领域，PVDF原材料市场目前处于求大于供的状态。我国PVDF市场需求仍保持快速增长， 由表2可知，2021年国内PVDF需求量约为6.0万t，由于碳达峰、碳中和目标，新能源行业将持续火爆，同时半导体行业投资两到三年之内也会持续保持较高热度，预计2025年PVDF总需求量将达13万t以上，市场需求持续强劲。

表2 PVDF国内供需情况

注：数据来源百川咨询，项目环评。

2.2 供给端：原料供给受限，技术壁垒较高

原料端，R142b（二氟一氯乙烷）受《基加利协议》管理，配额和环评审批难度大，扩张进度缓慢。目前发达国家已基本停止生产R142b，我国2019年也开始对制冷剂用R142b生产配额进行削减。在高纯PVDF粒料更上游的原材料方面，目前国内氟原料厂家（如东岳化工、浙江巨化、中化蓝天等）仅能生产普通级PVDF，尚无生产高纯PVDF的能力，原材料需从国外进口，导致成本居高不下，货源也没有充分的保证。后续随着PVDF的扩产，原材料的缺货带来成本压力也是不容忽视的，可能进一步推动PVDF的涨价。

此外，半导体行业集中度较高，外资企业技术领先，当前我国PVDF行业有10余家生产企业，行业集中度较高，CR4达到60%，三家外资企业（法国阿科玛、比利时索尔维、日本吴羽株式会社）产能占比约37%，法国阿科玛、东岳集团PVDF产能分别为14500t/年、12000 t/年，规模领跑行业。

2.3 价格端：行业持续紧缺，价格持续上行

锂电池确实带动了PVDF的发展，但是尴尬的是这领域对于PVDF的要求也是比较高的，主要靠外企供应，国内能够满足条件的产能非常有限，国内市场用PVDF的产能很低和市场需求相比缺口非常大，2020年国内PVDF产能为6.6万t，国内PVDF供给以低端品为主，竞争较为激烈，并且从产能方面，从短期产能规划来看，除了联创股份有0.8万t的扩建之外，其他公司还没有大规模的扩建计划，对应的产能又是少之又少，从长期的产能来看，扩张角度，尽管部分龙头企业在2021年就开始建PVDF产能，但是考虑到建设周期、技术壁垒、上游原材料等多重因素影响，且国内外半导体近年来的迅猛扩产也造成了GF、AGRU等高纯PVDF细分市场厂商产能趋紧，2022年之内PVDF供应都会持续紧张，价格会维持在高位，未来两年价格都不太可能会降下来。

近一年来，国际市场上，PVDF的原材料由7万元/t上涨至30万元/t，价格涨幅高达4倍之多，进而下游高纯PVDF类产品价格上涨3倍以上，截止到2021年底，AGRU（世界上仅有的两家高纯PVDF管道、阀门材料生产商之一）产品单价约为100万元/ 吨，且面临一货难求的境地，目前高纯PVDF供货周期已长达18个月，最早2023年下半年交货。受高纯PVDF管道、阀门材料的缺货影响，合肥、武汉、上海、广州等多地半导体工厂的超纯水建设项目面临延期甚至停工风险，而项目的停工势必会严重制约半导体行业的正常生产和快速发展需要（PVDF应用见图2）。根据供需平衡推测，我国锂电池粘结剂PVDF在2021年出现0.6万吨的供需缺口，导致价格飞速上涨，且短期内新增产能难以满足PVDF的预期的高速增长，所以未来一段时间，价格会持续上升。

由于全球供应链的紧张和国际贸易摩擦，本次高纯PVDF短缺危机持续时间长、影响范围广，作为半导体行业生产过程中输送超纯介质的大动脉，如果没有应急预案，部分半导体工厂新增产能将受限，进而国内半导体产业的整体布局也会受到影响。因此需要半导体工厂业主、国产PVDF厂家、高纯PVDF原料生产厂家等多个产业上下游统筹规划，通力合作， 共同解决本次高纯PVDF短缺危机。

3.1 寻找替代品

高纯PVDF在半导体工厂主要用于超纯水抛光系统、LOOP送水管路与制程化学品、废液的输送和储存。为了减少PVDF的使用，需要进一步细化超纯水水质分级，促使部分高纯PVDF管道、管件替换成其他高纯材料。如超纯水，可对生产机台的水质要求进一步区分，使用不同管材的管道进行输送，尽量减少高纯PVDF材料的使用；同时采用PPH-HP、CLEAN PVC、SUS/PTFE等材料对抛光站、LOOP部分高纯PVDF管道（如回水端）进行替代，进一步减少高纯PVDF的使用。化学品、废液输送管道及阀门则可通过将现有高纯PVDF管道调整为金属内衬洁净氟材料的方式降低对它的依赖程度。

3.2 修炼内功

阻碍高纯PVDF国产化的客观条件比较难以解决，首先是生产环境，国内公司暂时还没有高纯PVDF加工所需的万级别以上洁净间，这点导致生产过程中的洁净度无从保证。我国需规范提升国产高纯PVDF管材、阀门的洁净化生产过程，提供高纯度、质量稳定的产品。现有普通PVDF管材、阀门的生产厂商需要积极对现有生产环境、生产工艺进行改造升级。与此同时，生产工具也制约着高纯PVDF国产化的发展进程，高纯PVDF管道施工需全部采用使用自动焊机，使用红外非接触式热熔的方式进行焊接，但由于国内没有能力生产焊接所用焊机，只能使用GF、AGRU等国外厂商的设备进行施工。对于管道及配件，HD、HS、XY等公司正在积极推动高纯PVDF类管道管件的国产化工作，但受高纯原料来源、生产技术、加工装置等影响，市场份额较小，且多为废液收集管路方面的尝试，超纯水制备及输送端应用案例较少，半导体的研发生产能力还不够，我国民族工业需要尽快的站起来。

加快原材料研发，实现高纯PVDF的国产化替代是目前国内业界的共识。目前国内具备PVDF生产能力的大型氟化工厂有10余家，其中东岳、巨化、孚诺林、联创等均具备R142b及PVDF的配套生产能力，但多为普通级别的PVDF。生产高纯PVDF则需要很大的实力来打破生产技术壁垒。通过对生产工艺、引发剂、分散剂、聚合压力和温度、改性条件等多个方面进行攻坚，可逐步实现高纯PVDF的真正自主化生产，从源头解决高纯PVDF短缺的危机。

3.3 巧借外力

积极转换观念，降低国产化材料试用门槛，寻找互补品。半导体制程精密复杂，厂商对生产各环节选材严格，倾向于使用国外品牌，对国产材料和品牌接受度较低。如今，随着国内生产厂家技术水平和规模的提升，部分材料与国外品牌已无较大差距，同时具有更为可控的成本及货期优势。在此情况下，半导体行业使用单位可考虑在超纯水制备过程中积极推动部分国产高纯PVDF材料的试用，在解决半导体行业超纯水材料卡脖子难题的同时帮助企业自身降低整体投资成本。

2021年我国经济总量突破110万亿，我们是世界第二大经济体。在迈入中国制造2025战略的规划下，2014年6月24日，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》。在21世纪的第二个十年，我们迎来了国内集成电路的大发展，同时也暴露出一些问题。“十四五”时期，我们需要推进创新体制的重构，特别是要加强基础研究和前沿技术的研究，“卡动脉”技术大多投入高、耗时长、难度大，投入和科技人才还不够，必须形成强有力的管理和科学体制。使创新、技术、人才、管理、资源配置形成合力，攻坚克难，取得实质性进展，解决“卡动脉”问题指日可待。

更多相关信息，请关注全国绿色工厂厂务大会（ 首届·合肥·2021年10月21-22日 ， 第二届·重庆·2022年6月23-24日）

素材提供： 周  伟（工作单位：江苏中电创新环境科技有限公司）、 林金辉（工作单位：奥加诺（苏州）水处理有限公司）

编辑整理：张美雪