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中金 | AI服务器上游材料系列:电子树脂技术革新正当时

中金点睛  · 公众号  ·  · 2023-08-15 07:44

正文

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中金研究

我们认为,算力需求增长的长期趋势并未改变,AI服务器作为算力基建,其结构升级将带动上游零部件及材料的大面积革新。覆铜板及其原材料的高频高速化是助力服务器升级不可缺失的一环,而先进电子树脂的使用能够有效提升覆铜板性能并满足新一代服务器的硬件要求。我们认为,电子树脂新一轮产品迭代已经到来,我国作为覆铜板生产大国有望迎来上游先进电子树脂本土化发展提速的机遇期。


Abstract

摘要


算力需求指数增长,上游材料端有望迎来“量价齐升”。 算力好比AI产业链的“原油”,而服务器即是“油井”,随着AI应用模型迎来其“工业革命”,上游算力的需求也正在指数级增长。AI服务器相比普通双路服务器有很多零部件的迭代升级,从而对上游材料提出更高的性能要求。同时,部分AI服务器材料的单位使用量及单位价值量也会随着零部件的升级而增多,AI服务器对材料端的拉动具有“乘数效应”。我们认为,覆铜板(CCL)原材料的尖端产品国产化率相对更高,国内企业受益或更为明显。


高频高速覆铜板国产替代空间广阔。 根据中国覆铜板行业协会(CCLA)数据,2011-2021年我国覆铜板销售收入CAGR约为10.1%,截至2022年,我国已成为全球最大的覆铜板生产国,但覆铜板进出口仍然存在贸易逆差,三大类特殊覆铜板(高频、高速、封装基板)仍然大量依赖进口,我国覆铜板及其原材料的高频高速化升级有着可观的发展空间,材料与板材的国产化正在加速。


改性聚苯醚(PPO)树脂有望成为高速覆铜板的主流树脂体系。 我们认为,改性PPO树脂制成的高速覆铜板具有较低的介电损耗因子,同时在耐热性、耐水性、阻燃性及良好的尺寸稳定性方面有一定优势,有望成为高速服务器覆铜板的主流选择。2023年以前5G基站对改性PPO树脂整体需求量有限,随着AI大模型的兴起,服务器升级将显著拉动改性PPO树脂需求。根据我们的测算,至2025年全球改性PPO树脂需求量或达4926吨。我国改性PPO树脂已有部分企业实现量产,我们认为率先布局改性PPO树脂产能的国内企业有望充分受益于此轮产品迭代更新。


风险

项目投产进度不及预期;下游需求持续低迷;行业产能大规模投放。


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Text

正文


算力需求指数增长,上游材料端有望迎来“量价齐升”



算力需求迎来大幅增长。 算力好比AI产业链的“原油”,而服务器即是“油井”,随着AI应用模型迎来其“工业革命”,上游算力的需求也正在指数级增长。根据之江实验室数据,从2018年开始,算力需求每两个月就会翻倍一次,对应的服务器及上游配套零部件、原材料需求或也将呈指数级增长。


图表1:未来算力需求有望维持指数级增长

资料来源:Shiqiang Zhu等《Intelligent Computing: The Latest Advances, Challenges and Future》(2022),《Intelligent Computing》,之江实验室,中金公司研究部


图表2:全球服务器出货量

资料来源:IDC,Trend Force,中金公司研究部


图表3:AI服务器产业链

资料来源:中金公司研究部


服务器需求结构高端化转型。 由于云端服务供应商下调采购量,部分服务器厂商下调出货量预估,2023年整体服务器市场需求或有所承压。但值得注意的是,服务器市场内部的需求结构正在发生明显的变化,根据Bloomberg数据,2023Q1中高端企业级服务器出货量大幅上涨,印证了AI服务器的需求高涨。我们认为,服务器的结构化升级有望带来上游服务器材料的“量价齐升”。


图表4:全球ODM Direct服务器出货结构

资料来源:Bloomberg,中金公司研究部


根据中金科技硬件组测算,2023-2025年由AI算力需求带来的服务器增量或达25万台,对应晶圆制造材料、芯片封装材料、覆铜板原材料、散热材料等需求也将相应增长。AI服务器相比普通双路服务器有很多零部件的迭代升级,从而对上游材料提出更高的性能要求(单位价值更高)。同时,部分AI服务器材料的单位使用量也会随着零部件的升级而增多,AI服务器对材料端的拉动具有“乘数效应”。我们认为,覆铜板(CCL)原材料、芯片封装材料及散热材料的尖端产品国产化率相对更高,受益或更为明显。


图表5:AI服务器相关产业链材料梳理

注:零部件单机价值量对比为中金公司研究部测算
资料来源:各公司公告,IDC,中金公司研究部


高频高速覆铜板催生大量特种电子树脂需求




算力需求进一步推动覆铜板的高频高速化


服务器升级将带来PCB成本占比的提升。 印制电路板(PCB)是服务器的主要组成部分,通过PCB可以将各个电子元器件和接口连接起来从而实现服务器电路的连接和控制,PCB在服务器GPU模组、CPU模组、硬盘背板等零部件中均有较大的用量。近年来服务器平台已由Grantley逐渐过渡到Whitely平台,同时新一代Eagle Stream服务器有望在今年迎来大规模推广使用。随着服务器的升级,我们认为,PCB及其原材料成本或将显著上升,PCB及其原材料有望迎来新一轮迭代升级。


图表6:X86服务器核心PCB成本发展趋势(2022年)

资料来源:冯志强《服务器及印制板应用趋势》(2022),中金公司研究部


图表7:X86服务器核心PCB原材料成本占比发展趋势(2022年)

资料来源:冯志强《服务器及印制板应用趋势》(2022),中金公司研究部

PCB产业链将随服务器平台同步升级。 服务器平台每隔两三年会进行一次升级换代,以满足新的应用场景下数据传输速率和运行频率不断增加的需求。PCIe总线技术的演进推动服务器PCB层数由低至高,应用的材料从低速高损耗材料向高速低损耗材料发展。


图表8:新服务器平台主板PCB设计特点图

资料来源:冯志强《服务器及印制板应用趋势》(2022),中金公司研究部


覆铜板是制作PCB的基板原材料,根据深南电路数据,覆铜板占到PCB成本的20%-40%,是生产PCB最主要的原材料。我国覆铜板产业的增长较为稳定,根据中国覆铜板行业协会(CCLA)数据,2011-2021年我国覆铜板销售收入CAGR约为10.1%,近年来覆铜板价格呈现上升趋势。根据台光电子(EMC)的数据,高端(HDI+高频高速)覆铜板的全球市场规模CAGR约为16%,覆铜板的迭代升级正在加速。


覆铜板升级的方向主要是无铅无卤化、轻薄化和高频高速化。 2006年欧盟明确将铅、多溴联苯和多溴联苯醚(溴为卤族元素)等6项物质列为有害物质并限制使用,对覆铜板的生产过程提出了无铅无卤化的环保要求,而覆铜板的高频高速化主要受到5G通信技术的普及和高速服务器需求量增长的催化,主要对覆铜板的传输信号损失提出了更高的要求。从下游终端来看,基站、服务器和交换机是高端覆铜板的主要应用方向,其中高速服务器对高端覆铜板的需求增量更为显著。


图表9:我国历年覆铜板量价情况

资料来源:CCLA,中金公司研究部


图表10:高端(HDI+高频高速)覆铜板全球市场规模

资料来源:EMC台光电子,中金公司研究部



国际知名覆铜板咨询机构Prismark将IC封装载板用覆铜板、高频覆铜板、高速覆铜板分类为三大类特殊刚性覆铜板,在传输速度和信号损失等关键指标上显著优于传统FR-4(耐燃材料)覆铜板,在通信基站、服务器等高要求的使用场景下有着较高的渗透率。目前行业内对覆铜板的分级主要参考松下的两大产品系列,包括适用于高频应用的低层数R系列产品,及适用于高速应用额多层数M系列产品,而根据传送信号的损失等级又可进一步将M系列产品分位M4-M7系列产品。目前,主流服务器使用的覆铜板仍然是M4系列的产品,随着服务器产品的升级,我们认为覆铜板或也将迎来新一轮产品革新。


图表11:松下高频(R)和高速(MEGTRON)两大系列特殊类覆铜板

资料来源:Panasonic,中金公司研究部


我国三大类特殊覆铜板市场仍大有可为。 根据CCLA数据,截至2022年底,我国已成为全球最大的覆铜板生产国,但覆铜板进出口仍然存在贸易逆差,三大类特殊覆铜板(高频、高速、封装基板)仍然大量依赖进口。从2020年全球主要三大类特殊覆铜板的市场份额占比来看,市场份额较高的主要是台耀、松下、联茂、昭和电工等中国台湾及日本企业。


图表12:我国覆铜板进出口情况

资料来源:中国海关,中金公司研究部


图表13:2020年全球主要三大类特殊覆铜板市场占比

资料来源:Prismark,中金公司研究部


我国大陆地区三大类特殊覆铜板生产企业三大类特殊覆铜板销售收入占比仍较低。 根据Prismark数据,我国大陆地区主要覆铜板生产企业除中英科技外,均以基础刚性覆铜板销售为主,三大类特殊覆铜板销售比例较低,生益科技、南亚新材、华正新材三大类特殊覆铜板销售比例分别为11%、12%、9%,较头部台耀科技、松下等海外企业超过50%的三大类特殊覆铜板销售额比例有较大的差距。我们认为,随着我国高频高速覆铜板技术的日趋成熟,国内企业三大类特殊覆铜板销售额比例有望持续提升。


图表14:2020年全球刚性覆铜板厂家公司三大类特殊覆铜板的销售额及排名

资料来源:Prismark,中金公司研究部


根据我们的测算,2023-2025年国内新增高频高速覆铜板产能将超过2000万平方米。 根据CCLA数据,2022年共签约10个覆铜板扩建项目,新增覆铜板产能约7120万平方米/年,新增商品半固化片产能约3640万米/年。若立项项目能按计划开工,我们预计新增产能或将在2023年-2025年逐步释放。假设30%的新增覆铜板属于三大类特殊覆铜板,则国内高频高速与封装基板覆铜板的新增产能约为2136万平方米,对应覆铜板原材料也将迎来升级。


图表15:2022年我国覆铜板企业投扩建项目立项(签约)统计表

资料来源:CCLA,中金公司研究部


覆铜板行业去库周期趋近尾声,行业周期底部渐显。 2022下半年以来,受消费电子需求疲软,覆铜板价格下滑明显,行业进入去库周期。覆铜板(CCL)行业相对与下游印制电路板(PCB)行业的集中度相对更高,厂商议价能力相对更强,我们认为当前覆铜板行业已趋近周期底部,随着需求复苏及产品迭代,覆铜板及其原材料或将迎来新一轮上行周期。


图表16:海(境)外PCB企业库存情况

资料来源:Bloomberg,中金公司研究部


图表17:海(境)外覆铜板(CCL)企业库存情况

资料来源:Bloomberg,中金公司研究部



高频高速电子树脂需求有望快速增长


覆铜板由增强材料浸以胶液、覆以铜箔后经热压制成,其生产过程主要包括树脂配制、玻璃布上胶、叠合和层压、修边与检验四个步骤。 第一步,将电子树脂和溶剂、催化剂、固化剂等助剂进行搅拌,混合均匀制成树脂液。第二步,在制备完成的胶液中浸入厚玻璃布进行上胶,在立式浸胶机中制作成半固化片。第三步,根据目标覆铜板的厚度,将一张或多张半固化片进行叠合,一面或两面覆铜箔,装模放入压机中,在一定压力、温度(一般为高温,如180℃)和时间(如2小时)条件下进行压制。最后,将不锈钢盘从覆铜板表面移除完成出模,检查覆铜板外观并包装,完成制作。


图表18:覆铜板的生产流程

资料来源:生益科技公告,中金公司研究部


覆铜板的三大核心原料为铜箔、增强材料(玻纤布)和电子树脂。 覆铜板表层覆盖的铜箔经过蚀刻等工艺能够形成导电线路,从而制成印制电路板。增强材料包括电子玻璃纤维纺织布、纤维素纸、电子玻璃纤维布等,使覆铜板具备耐高温、耐侵蚀、绝缘性能佳等特点。胶液包括树脂、固化剂、固化促进剂、阻燃剂、改性剂和填料,其作用在于使增强材料和铜箔粘结在一起制成绝缘基体,实现覆铜板应具备的电子、机械、化学性能。


图表19:玻璃玻纤布基双面覆铜板的结构

资料来源:华正新材招股说明书,中金公司研究部


电子树脂作为制作覆铜板的三大原材料之一,对覆铜板性能存在至关重要的影响。 电子树脂的理化性质直接影响覆铜板的信号传输效率等基础特性,最终影响由覆铜板制成的PCB的具体应用场景。按照胶液中的主体树脂区分,覆铜板可以分为环氧树脂基、酚醛树脂基、聚酰亚胺树脂基、聚四氟乙烯树脂基覆铜板等多种类别,根据其性质差异最终被广泛应用于智能家电、工业控制、计算机、消费电子、汽车电子、通讯等各个行业。


图表20:覆铜板原材料成本拆分(2021年)

资料来源:生益科技公告,中金公司研究部


图表21:覆铜板原材料单位耗用量

注:假设一张覆铜板=1.2平方米
资料来源:南亚新材招股说明书,中金公司研究部


数据服务器潜藏大量高速覆铜板需求。 2021年,工信部发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》,其中特别对信息通信行业基础设施的范畴进行划分,尤其强调数据和算力设施。2022年11月,ChatGPT的出现使 AI产业链得到了广泛关注,上游AI服务器需求快速增长。AI服务器作为高算力服务器对覆铜板的散热性及电性能提出了更高的要求,根据Prismark数据显示,2015至2021年间,以无铅无卤、高频高速覆铜板为代表的中高端刚性覆铜板的全球销售额由40.48亿美元增长至97.67亿美元。


图表22:覆铜板上下游产业链

资料来源:前瞻产业研究院,CSDN,陈文求、张雪平、李桢林等《5G通讯用高频/高速基板材料的研究进展及华烁的发展规划》(2019),中金公司研究部


我国电子树脂市场具有结构性机会。 近年来我国基础环氧树脂扩产较为迅猛,根据ACMI数据,2022年我国环氧树脂产能约为363.4万吨/年,规划新建产能超过300万吨/年,但截至2022年我国仍然是环氧树脂净进口国。在高端电子环氧、酚醛等树脂领域,我国仍大量依赖进口。同时,相比与基础树脂,用于电子领域的特种树脂有着更高的价格和利润率,根据Westlake数据,特种环氧树脂与基础环氧树脂间的价差超过3000元/吨。


图表23:特种化学品与基础化学品间的价差(2022年)

注:1美元=7.2人民币

资料来源:Westlake,中金公司研究部


图表24:部分封装载板用环氧树脂类别

资料来源:崔美丽等《封装载板用环氧树脂生产技术现状及市场展望》(2023),中金公司研究部


我国电子树脂仍以改性环氧树脂系列产品为主。 目前我国电子树脂行业的上市公司主要包括东材科技、圣泉集团、宏昌电子以及同宇新材等,下游消费结构仍以FR-4覆铜板为主。我们认为,近年来下游覆铜板厂商仍在积极扩产且我国三大类特殊覆铜板占比仍较低,我国电子树脂企业收入占比较高的改性环氧电子树脂需求仍将维持高速增长。同时,覆铜板的迭代升级对其上游原材料也提出了更高的要求,我们认为,提前布局先进树脂的企业有望充分受益。


图表25:主要国内企业电子树脂收入规模

注:圣泉集团2019年未披露电子树脂收入

资料来源:各公司公告,iFinD,中金公司研究部


图表26:不同种类电子树脂销售均价

资料来源:同宇新材招股说明书,中金公司研究部


下游应用升级对覆铜板性能提出了更高的要求。 覆铜板按照介电常数(Dk)与介质损耗因子(Df)可分为FR-4、高频高速板两类。Dk、Df与传输速度及损耗相关,是高频高速板的核心指标。FR-4覆铜板的Df值大于0.2,而高速覆铜板可根据Df的不同进一步分为常规损耗(Df 0.01~0.02);中损耗(Df 0.008~0.010);低损耗(Df 0.005~0.008);极低损耗(Df 0.002~0.005);超低损耗(Df <0.002)。覆铜板的原材料会对其Dk、Df值产生决定性影响,随着覆铜板下游服务器、通讯基站的迭代升级,我们认为未来覆铜板及其原材料或都将迎来新一轮需求增长,电性能更佳的材料需求增长或将更为显著。


图表27:不同服务器架构对应树脂需求

资料来源:Intel,中金公司研究部


中高端覆铜板对应特种电子树脂市场规模年化增速或达18.8%。 通信、电子领域的更新迭代对电子元器件的信号传输损耗和延迟提出了更高的要求。电子树脂的更新迭代能够有效降低覆铜板的介电常数与介电损耗从而提升电子元器件的传输性能。我国作为电子树脂的生产大国和消费大国,在生产领域仍以基础液态环氧树脂为主,在中高端(无卤化+高频高速)覆铜板领域用的特种树脂领域仍有着长足的发展空间。根据我们的测算,假设覆铜板的原材料成本占其产值的58%,而树脂成本约为原材料成本的25%,2021-2025年中高端覆铜板对应特种电子树脂市场规模年化增速或达18.8%,至2025年市场规模或达195亿元。


图表28:全球特种电子树脂预计维持高速增长

注:原材料成本约占覆铜板产值的58%,电子树脂成本占原材料成本的25%

资料来源:Prismark,同宇新材招股说明书,生益科技招股说明书,中金公司研究部


聚苯醚(PPO)、碳氢等先进电子树脂本土化发展提速



聚苯醚(PPO)、碳氢、PTFE是高频高速覆铜板树脂体系的主要发展方向。 低损耗等级以上(基材介电损耗系数Df≤0.008)的高频高速电路用覆铜板主要使用两条路线的树脂体系:一条是PTFE为代表的热塑性树脂体系;另一条是以碳氢树脂或者改性PPO树脂为代表的热固性树脂体系。高算力服务器使用的高速覆铜板对耐热性及尺寸稳定性有着较严格的要求,PTFE体系的玻璃化转化温度(Tg)、热膨胀系数及加工稳定性相对较差,一般采用改性PPO或者碳氢树脂的热固性树脂作为高速覆铜板的树脂体系。


图表29:不同树脂体系的信号传输损失

资料来源:Shi, H. , Liu, X. , & Lou, Y《Materials and micro drilling of high frequency and high speed printed circuit board: a review》(2019),中金公司研究部


图表30:PPO与PTFE、PI等覆铜板材料的性质比较

资料来源:邢秋、张效礼、朱四来《改性聚苯醚(MPPO)工程塑料国内外发展现状》(2006),中金公司研究部



改性聚苯醚树脂:国产替代加速,未来需求有望拉升


聚苯醚树脂(PPO或PPE,以下简称PPO)具有刚性骨架链和极性基团,因此性能优异。 其本身优良的力学性能、耐热性、耐水性、阻燃性及良好的尺寸稳定性,使其在电子领域中有巨大的应用潜力,尤其是高频覆铜板领域。此外,PPO在汽车、机械、化工等领域的应用探索也在不断拓宽,但仍以电子领域为最主要的应用方向。


PPO的大规模生产工艺经历过数十年的演进。 最早,PPO在1957年由GE公司的A.S.Hay通过氧化偶合法由2,6-二甲基苯酚聚合得到,此后于1965年实现工业化生产。随着超高频通信的发展,聚苯醚树脂的改性成为主要研发趋势。20世纪80年代,Sabic在以PPO为原材料的树脂片“Noryl”上覆上铜箔压制成覆铜板,作为以PPO为基体的覆铜板的起点。此后,包括住友、松下、旭化成在内的日本企业针对PPO自身热固性不足、浸渍性差等问题展开一系列研究推出具有良好热固性的改性PPO。


图表31:PPO的生产工艺演进

资料来源:师剑英《浅析覆铜板用聚苯醚树脂的改性技术》(2021),中金公司研究部


传统PPO配方无法满足电子产品对轻量化、微型化、多功能化的诉求,PPO改性成为拓宽应用场景的必经之路 。和高分子量PPO相比,低分子量PPO的熔融粘度小、加工性能更好,因此对低分子量PPO的侧链或端基进行化学改性,使其形成可交联基团的热固性PPO低聚物。热固性PPO耐溶剂性、耐热性良好,克服了传统PPO和热塑性PPO的缺点,因此被广泛应用于覆铜板中。


图表32:低分子量PPO的改性路线

资料来源:师剑英《浅析覆铜板用聚苯醚树脂的改性技术》(2021),中金公司研究部


图表33:热固性PPO的生产工艺路线

资料来源:邢秋、张效礼、朱四来《改性聚苯醚(MPPO)工程塑料国内外发展现状》(2006),中金公司研究部


供给端:全球PPO供给以国外企业为主,国内企业正在加紧技术瓶颈突破及产业布局。 目前,全球PPO产能主要布局在海外,SABIC在PPO领域发展最早。鉴于PPO在电子领域的巨大应用前景,国内正在加紧相关产能布局,重点技术瓶颈仍为改性工艺的设计。根据公司官网及公告,目前我国已建或在建低分子热固型PPO的企业包括圣泉集团、南通星辰、东材科技、同宇新材、河北健馨、山东星顺等企业。


图表34:国外低分子量PPO生产厂家及牌号

资料来源:彭康、董辉、潘锦平等《低分子量聚苯醚的制备及其在低介电损耗覆铜板中的应用》(2016),中金公司研究部


需求端:AI服务器对信号传输效率的重视将有力带动以改性PPO为基材的高频高速覆铜板应用。 考虑到AI服务器的信号传输架构,AI服务器相比于传统服务器更强调信号的传输效率,对信号的完整性和传输速度都有新的要求,进而需要高性能PCB的硬件支持。以机柜服务器为例,服务器芯片、交换机背板中直接搭载PCB,光模块中内嵌的PCBA结构由PCB空板通过SMT贴片上件或DIP插件制成。机柜服务器的核心部件中以高性能PCB为核心,相应高频高速覆铜板及对应电子级树脂的使用将得到需求提振。


图表35:华为数据中心存储网络交换机产品图

资料来源:华为官网,中金公司研究部


图表36:剑桥科技400G QSFP56-DD FR4光模块

资料来源:剑桥科技官网,中金公司研究部


传统服务器升级刺激上游硬件需求,高频高速覆铜板放量在即,有望带动树脂需求进一步提升。 一方面,传统服务器进入必要的硬件更换周期,硬件设备更换是维持服务器性能的必要条件。服务器在基础架构中的延用的时间越长,运营成本越高。另一方面,为了满足AI发展趋势下数据中心对算力的需求,具备更强信息传输性能的硬件设备将完成替代。大数据流量将带动多交换机端口、高速率光模块将成为下一代数据中心的发展趋势,我们认为,高频高速覆铜板渗透率有望持续提升。


图表37:电子级PPO需求测算

资料来源:IDC,TrendForce,华为官网,南亚新材招股说明书,工信部,中金公司研究部



碳氢树脂:国内外企业均正在探索成熟产品开发


碳氢树脂在高速、高频及高性能电路基板应用性能表现优良,但产品开发仍处于早期阶段。 碳氢树脂是指由C、H两种元素组成的不饱和碳氢化合物聚合而来,由于C-H键极性小,因此C-H键和C-C键具有键能高、极化率低、密度小的特征。用于覆铜板制作的碳氢树脂一般是含有双键的不饱和聚合物,碳氢树脂的介电常数仅有2.4×10-7~2.8×10-7,具备优异的介电性能和耐热稳定性,因此可以作为高频高速覆铜板的基体树脂。此外,碳氢树脂的来源广泛、价格低廉,性价比优势突出,具有很强的竞争力。


实现电子级碳氢树脂的性能要求是目前国内企业的技术瓶颈所在。 以碳氢树脂为基体的覆铜板一般称为碳氢覆铜板,区别于市场上高分子量或超高分子量的热塑性碳氢树脂,专用于覆铜板的碳氢树脂需要经过交联改性,使其能够满足覆铜板在机械性能、电气性能、环境性能、存储性能、加工性能等方面的要求。

覆铜板用的碳氢树脂需要满足以下条件:①必须含有不饱和烯键,且分子链上的活性官能团数目须大于2;②分子量较小;③需要从工业级的热塑性体系通过交联固化反应转为热固性体系;④反应过程可控。


图表38:国内外碳氢树脂覆铜板的发展历程

资料来源:师剑英《我国碳氢覆铜板现状及发展趋势》(2023),中金公司研究部


国内外围绕碳氢树脂开展的高频高速覆铜板用树脂配方研发路线众多。 目前,配方路线主要分成以下三类:碳氢树脂为主体的树脂、双键改性聚苯醚/马来酰亚胺+碳氢树脂、碳氢树脂与其他类型的树脂(如环氧树脂、苯并噁嗪树脂)配合使用。目前全球覆铜板用碳氢树脂的生产企业仍然集中在美国、日本、德国等地,以美国沙多玛、日本旭化成、日本曹达、美国科腾为代表。


图表39:国内外碳氢树脂的发展历程

资料来源:雷岚、彭倩倩、张茂利等《高频覆铜板用碳氢树脂发展现状》(2023),中金公司研究部


国内碳氢覆铜板企业已有量产产品,碳氢树脂仍在积极突破中。 据中国覆铜板信息网,生益科技提交的两项碳氢覆铜板IEC国际标准在2020年11月底通过论证,从下游技术层面为碳氢覆铜板和电子级碳氢树脂的进口替代带来可能。产品方面,生益科技已有S7136H系列碳氢产品投入生产,该产品为电子级玻纤增强、无机陶瓷填料和碳氢类树脂复合介质材料,南亚新材已发布9个碳氢覆铜板产品牌号,设计应用场景均为天线、功率放大器等高频通讯场景。碳氢树脂的生产厂商目前仍以海外企业为主,东材科技等国内企业正在积极突破。



双马来酰亚胺树脂:国产替代初具规模


双马来酰亚胺(以下简称BMI)树脂作为聚亚胺树脂体系派生的一类树脂体系,是以马来酰亚胺为活性端基的双官能团热固性树脂。改性双马来酰亚胺树脂改善了双马来酰亚胺树脂的脆性,在工业应用中有较大潜力。BMI不仅具有传统热固性树脂共有可模塑性,还表现出了优异的耐热性、耐湿热、抗热氧化性、阻燃性。同时,BMI具备较高的弯曲强度、耐化学腐蚀及良好的电绝缘性和透波性,可以作为电子封装模塑料的优质材料。然而,BMI本身的韧性较差,其固化物通常呈现出极大的脆性,因此工业使用中往往对其进行改性。改性BMI在机械材料、工程材料和电子材料中有较大的应用潜力。


图表40:BMI的合成路径

资料来源:吕敬坡《多马来酰亚胺的合成及在高频高速覆铜板中的应用》(2022),中金公司研究部


图表41:BMI的常见改性方法

资料来源:李蓓蓓、杨菊香、刘振等《双马来酰亚胺树脂的改性及其应用进展》(2022),中金公司研究部

国外厂商仍占据主要份额,但国内企业已实现技术突破,洪湖双马作为BMI的主要玩家已有稳定产品出货。 国外厂商如Solvay、Huntsman、Hexcel等已有成熟产品系列,主要应用围绕飞机、直升机等高温场景展开,主要围绕航天、国防等领域。洪湖市双马新材料科技有限公司在生产BMI有相对成熟的技术,早在2011年,公司BMI项目成果就随神舟五号、六号、七号上天,并获得国家科技认证和国内外客户好评。随着高频高速应用需求的增加,近年来国内也有公司开始进一步的技术研发,截至2022年底,圣泉集团等国内企业已研制出特种马来酰亚胺系列,在结构设计方面取得重大突破,并已实现系列产品量产。


图表42:国内外的BMI树脂供应商

资料来源:李蓓蓓、杨菊香、刘振等《双马来酰亚胺树脂的改性及其应用进展》(2022),中金公司研究部


BMI的潜在应用场景多。 BMI的无定形结构使其在众多领域皆可应用,树脂以粉末或溶液形态应用于航空航天、国防、电子和汽车等场景,其中热固性BMI树脂在航天航空领域已被作为高级复合材料的基体。国内的应用场景也以航空航天领域为主,如飞机机身的蒙皮及边条、支架、除冰加热装置的机翼固定前缘、发动机内核心整流罩等。


BT树脂是改性BMI树脂在高端覆铜板领域的重点应用,日本企业目前占全球市场90%的份额。 为了解决BMI树脂固化物脆性较大的问题,氰酸酯树脂(简称CE树脂)的加入可以通过降低BMI树脂的熔点改善其加工性能,即为双马来酰亚胺-三嗪树脂(简称BT树脂)。BT树脂具有高耐热性(Tg为225-330℃)、强稳定性,且加工性能优越,因此更适用于高频覆铜板场景。BT树脂的合成配方由日本三菱瓦斯公司于上世纪70年代开始研究,此后将其应用于覆铜板制造,并开发出十几个品种,目前全球市场份额占比超过60%。2023年5月,三菱瓦斯发布新闻稿,除了现有的日本福岛县BT树脂产能外,公司还将扩大泰国基地的半导体封装用BT层压材料的产能。



聚四氟乙烯:国内高端PTFE工艺已实现突破,量产满足技术前提


聚四氟乙烯(PTFE)是由四氟乙烯聚合而成的高分子化合物,最早由杜邦公司Roy Plunkett博士于1938年偶然发现,1947年杜邦公司将其投入工业化生产。20世纪60年代,PTFE由杜邦公司引入高端装备和航天航空领域,以PTFE为基体的覆铜板投入应用。上世纪末,Rogers公司则研制出PTFE微波复合陶瓷介质基板,拓宽其在通信设计方面的应用。


聚四氟乙烯的分子结构使其具备优异的介电性能,因此成为高频覆铜板的主流基体。 PTFE的结构单元CF2排列形成螺旋状的扭曲链,高分子链表面由氟原子覆盖,这种结构赋予了PTFE良好的物化性能和电气性能。C-F键本身极性小、键能高,因此具有良好的耐热性,氟原子对C-C主链的屏蔽保护作用也使其具有优良的耐溶剂性质。由于分子结构对称,PTFE在电场中极化程度小,因此在众多树脂中具有较为突出的介电性能,其介电常数在10GHz超高频条件下为1.8~2.2,介电损耗在10-4水平上。


纯PTFE在熔融状态下具有较高粘度而缺乏流动性,因此在制造覆铜板过程中需要进行改性。 PTFE的制备一般通过悬浮聚合获得悬浮树脂、分散聚合经过凝聚和浓缩分别获得分散树脂和分散乳液。由于纯PTFE热膨胀系数过大,不具备良好的加工性能,因此需要通过表面改性、填充改性和共混改性等三种方法进行改性。表面改性侧重于在PTFE中加入极性基团以增大表面粗糙度,常用化学偶联剂进行处理。填充改性包括填料改性和纤维增强,以实现降低生产成本、提高加工性能的目的。共混改性是将两者及以上聚合物混合,涵盖化学方法和物理方法。早期PTFE覆铜板通过钠一萘或钠一氨溶液进行表面改性,但由于铜箔光洁度无法保证,很快又被淘汰转而寻找其他方向。


图表43:PTFE的制作流程

资料来源:化学孵化,中金公司研究部


图表44:PTFE覆铜板的发展趋势

资料来源:胡福田《高性能聚四氟乙烯覆铜板研究》(2005),中金公司研究部


PTFE覆铜板主要应用在以5G、无线通信为代表的高频场景下,涉及领域广泛。 在远距离通信、导航、交通、仓储等领域,随着频率提高、数据量增多,对更高频率和更高传输速度的电子基材需求增加。为了实现高频传输,低介电常数、低介电损耗的材料需求随之拉动,以PTFE为基体的覆铜板有较大应用空间。在5G场景下,天线振子、滤波器等元器件的连接主体、CU(集中单元)/DU(分布单元)的内部结构等,都需要用到PTFE覆铜板,较大程度上提升了PTFE的需求。


市场上PTFE覆铜板以美国Rogers为主导,美日企业占到90%的市场份额。 由于PTFE覆铜板对树脂要求较高,高频基材的主要份额被美国Rogers、美国Taconic、美国Park Electrochemical Corp Nelco、美国Isola、日本中兴化成、日本松下电工等公司占据90%以上的市场份额。


图表45:2022年PTFE覆铜板的市场竞争格局

资料来源:立鼎产业研究院,中金公司研究部


图表46:主要聚四氟乙烯高频覆铜板供应商及相关产品信息

资料来源:汤阳、孟庆文《聚四氟乙烯在5G通信领域的应用进展》(2019),生益科技官网,南亚新材官网,华正新材官网,中金公司研究部


国外企业技术领先带动产品丰富度,国内企业针对进口替代路线已经取得技术突破。 美日企业在PTFE覆铜板方面有比较丰富的产品牌号,主要用于通信、航天等领域。不过,国内企业在高速覆铜板方面已经取得进展,生益科技的SCGA-500系列、华正科技的H5系列已经实现量产。树脂方面,昊华科技、巨化股份、沃特股份、东岳集团等公司针对高性能、特殊高频应用场景的PTFE树脂已经初步有产品投产,为下一步扩产提供了可能。


图表47:我国PTFE相关企业

注:产能截至2022年底

资料来源:胡红梅《关键5G新材料产业概览》(2020),公司年报,中金公司研究部


风险提示



项目投产进度不及预期。 国内电子树脂企业改性PPO树脂、碳氢树脂等先进产品大多仍处于项目建设或规划期,若项目投产进度不及预期或对企业相关业务的业绩产生不利影响。


下游需求持续低迷。 先进电子树脂需求的拉动主要依靠服务器的迭代升级,若服务器升级需求不及预期或对先进电子树脂的本土化发展产生不利影响。


行业产能大规模投放。 先进电子树脂因其产能的稀缺性而具有较高的售价及利润率,若行业内产能大规模投放或对产品价格形成压制,影响相关企业的盈利能力。


Source

文章来源

本文摘自:2023年8月13日已经发布的《AI服务器上游材料系列:电子树脂技术革新正当时》

傅锴铭  分析员 SAC 执证编号:S0080521010002 SFC CE Ref:BRF304

李熹凌  联系人 SAC 执证编号:S0080123010027

裘孝锋  分析员 SAC 执证编号:S0080521010004 SFC CE Ref:BRE717


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