玻璃之王:石英玻璃四大高端应用领域及市场概况

2023-07-12

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石英玻璃的力学、热学、光学和化学性能优越,在半导体、航空航天、光学、光通讯、光伏以及电光源等领域应用广泛。石英玻璃是由二氧化硅单一组分构成的工业技术玻璃,由于二氧化硅为原子晶体,Si-O间是共价键,所以石英玻璃耐温性强且化学性质稳定;Si-O间化学键能大且结构紧密,使得石英玻璃具有良好的机械性能,耐压力强;此外石英玻璃具有较小的密度,再加上石英玻璃的微观结构是由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络,短程有序,长程无序,使得其光学性能优良且介电强度高。

主要应用领域一:半导体行业

(1)石英玻璃是半导体产业不可或缺的材料

在半导体生产过程中,石英玻璃制品主要应用于单晶硅制造和晶圆制造两个环节。各类石英部件和仪器是清洗、氧化、光刻、刻蚀、扩散等环节中所需要的材料。石英玻璃厂商生产出的石英玻璃材料,由石英玻璃器件加工商通过机加工或者热加工,制成炉管、舟架、槽、环、法兰、钟罩等石英玻璃制品,销售给半导体设备厂商。此外,芯片制造商也会直接向器件加工商采购相应的石英玻璃制品。石英玻璃制品的杂质含量、几何尺寸等直接影响集成电路器件的良品率和生产效率。

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数据来源:国盛证券研究所

半导体领域使用的石英玻璃由于其应用细分场景不同,对应的石英玻璃特性需求也略有差异。在高温区使用的石英玻璃制品要求低羟基含量,通常使用电熔方法制备;低温区材料则更多考虑气熔石英玻璃;而在掩膜基板生产中则更多使用杂质含量低、透光率高的合成法制备的石英玻璃。

(2)全球半导体市场持续火热,2021年增幅达历史高位

2021年全球半导体行业需求强劲,全球陷入芯片供应短缺局面。在5G、消费电子、物联网、人工智能、自动驾驶等新兴产业的拉动下,全球半导体市场景气度持续上扬。美国半导体行业协会(SIA)发布的报告显示,2021年全球半导体市场规模达到5,559亿美元,创历史新高,与2020年的4,404亿美元相比增长了26.2%。目前,中国仍然是全球最大的半导体应用市场,2021年销售总额达到1,925亿美元,同比增长27.1%。

电子信息材料的制备工艺中通常需要使用和消耗大量的高端石英玻璃材料及制品,随着电子信息行业的不断发展,半导体行业对高端石英玻璃产品的需求量有望继续保持较高的增长势头。

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数据来源:世界半导体贸易统计组织

(3)中国大陆是半导体产业转移的受益者,国产上下游配套产品需求旺盛

从历史进程看,半导体产业在全球范围完成两次明显的产业转移:第一次为20世纪70年代从美国转向日本,第二次则从80年代转向韩国与中国台湾,而目前,这个产业转移正逐渐转向大陆。2021、2022年全球范围内规划要建成的晶圆厂,中国大陆占比高达27%,中国大陆加中国台湾占比超过55%,快速扩充的芯片制造产能给上下游配套设备的国产厂商提供了广阔增长空间。


数据来源:世界半导体贸易统计组织

主要应用领域二:航空航天行业

石英玻璃纤维和以石英玻璃纤维为基材的复合材料具有优良的耐高温、耐烧蚀、高透波与电绝缘性能,是广泛应用于航空航天与海洋装备领域的功能材料。

2020年国家发布的《十四五规划和二〇三五年远景目标的建议》指出要大力发展战略新兴产业,加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等产业。根据《2021中国航天》白皮书,未来五年中国将开启全面建设航天强国新征程,推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展,培育壮大空间应用产业,提升航天产业规模效益,加强航天技术二次开发,推动航天科技成果转化应用,培育“航天+”产业生态,加快发展航天战略性新兴产业。在此背景下,石英玻璃纤维及制品在航天领域的应用规模将不断扩大,迎来更广阔的发展空间。

主要应用领域三:光学行业

合成石英玻璃材料用作高端光学领域的透镜、棱镜,TFT-LCD高清显示器和IC用光掩膜基板材料。随着我国国民经济的快速发展和高新技术产业的迅速成长,我国光学仪器仪表行业近年来一直保持比较好的增长态势,产业规模已经成为国际上行业规模最大的国家之一,也是发展中国家仪器仪表行业规模最大、产品品种最齐全的国家。

智研咨询发布报告显示,2021年中国光学仪器制造行业收入为852.1亿元,同比增长4%。伴随5G、AIoT技术及全球数字化进程的加速发展,消费类电子产品渗透率持续提升,新场景新应用推动IT产品多元化发展,新能源车市场快速成长带动显示面板需求持续成长。2021年,全球新型显示行业产值和产量均再创新高,根据中国光学光电子行业协会液晶分会(CODA)的数据显示,2021年全球新型显示面板产值约1,500亿美元。

主要应用领域四:光通讯行业

石英玻璃把手棒用作光通讯领域光纤预制棒沉积及烧结和光纤拉制中的支撑材料。2021年,我国通信业发展呈现向好趋势,5G、千兆光网等新型信息基础设施建设覆盖和应用普及全面加速。《十四五规划和2035年远景目标纲要》提到,要布局建设信息基础设施,加快5G网络规模化部署,用户普及率提高到56%,推广升级千兆光纤网络。

5G基站的接入、回传均需要用到光纤资源,光纤光缆是5G信息传输网络的重要基石。5G网络建设有序推进,带来了光纤的增量市场,将持续推动光纤市场的发展。此外,国内5G规模建设将采用独立组网的模式,亦将有利于光纤光缆行业发展。光通讯行业的快速发展将带动光纤光缆需求的持续增加,有利于石英玻璃行业的发展。

石英玻璃市场

半导体行业是石英玻璃材料的主要应用领域,其他方向主要包括光伏、光纤通信和电光源等。从增速来看,半导体、光伏增速较高,是目前石英玻璃市场主要的增长引擎,预计未来市场占比进一步扩大。

数据来源:中金公司研究部

根据中国建筑玻璃与工业玻璃协会数据,石英器材、石英基板、石英玻璃(含坩埚)分别各占半导体领域石英市场的约40%、30%、30%。根据美国电子材料研究机构Techcet统计,全球每年90%的高纯石英原料用于电子信息产业,2021年全球半导体石英玻璃材料的市场空间约达到约28亿美元。


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