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  • 菲利华专题报告:航空航天半导体以为本,高性能石英玻璃以为基
      • 菲利华专题报告:航空航天半导体以为本,高性能石英玻璃以为基
        • 2021-11-19 00:07:58
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        • 石英
      • 1 国内知名石英玻璃企业,依托技术优势横向扩品类、纵向延伸产业链

        专注石英玻璃材料领域,开发气熔、合成电熔石英玻璃与石英玻璃纤维及制品


        公司专注石英玻璃材料领域,开发气熔石英玻璃、合成石英玻璃、电熔石英玻璃与石英玻璃纤维及制品;主导产品有石英玻璃锭、筒、管、棒、板、片,光学合成石英玻璃,石英玻璃器件,石英玻璃纤维系列产品,石英玻璃纤维立体编织预制件,以石英玻璃纤维为基材的复合材料。公司现拥有荆州、潜江、上海三个生产基地以及上海技术研究院。


        公司现为国内外具有较大影响力和规模优势的石英玻璃材料及石英纤维制造企业。公司是全球少数几家具有石英纤维批量生产能力的制造商,我国航空航天等国防军工领域唯一的石英纤维供应商;公司传统的天然石英制备以气熔方法为主,是全球第五家、国内唯一一家获得主要半导体设备商认证的气熔石英玻璃材料供应商;合成石英方面,公司是国内唯一能量产合成石英玻璃材料的企业。

        国内知名老牌传统石英玻璃企业经五十年发展,成为电子信息产业和航空航天领域高性能石英玻璃及石英纤维产品整体解决方案提供商,公司上市以来业绩稳定增长。公司前身为始建于1966年的湖北省沙市石英玻璃总厂,属原国家建材部九家重点石英玻璃生产厂家之一,于1999年改制为菲利华,并于2006年整体变更为股份有限公司。公司2011-2020年实现营业收入CAGR达到13.7%,2011-2020年归母净利润CAGR达到17.0%,受益于市场需求增长和公司产能扩张,公司近年业绩维持稳定增长。


        石英玻璃材料为主要营收来源,技术积累叠加产能扩张引领军民同发展

        2020年公司毛利率较高的石英玻璃材料业务收入贡献接近8成,拉动公司综合毛利率提升。公司目前主要的业务板块包括石英玻璃材料和石英玻璃制品两大类,2020年石英玻璃材料营收达到6.60亿元,约占营业总收入的76.4%,毛利率达到57.6%,贡献超过8成毛利,而石英玻璃制品业务营收达到1.85亿元,约占营业总收入的21.4%,毛利率达到35.5%,贡献约一成毛利。受益于公司石英玻璃材料业务营业收入同比大幅增长31.0%叠加该业务毛利率同比提升2.8pct,2020年公司综合毛利率达到52.1%为历史新高,同比提升2.3pct。


        菲利华始终专注产品和技术的自主创新,核心技术引领军民品同发展。近三年研发费用占总营收的比例保持在6%以上,2020年研发费用占比为8.5%。公司研发费用从2015年的0.14亿元增长到2020年的0.7亿元,CAGR为39.9%。2020年公司获得10项国家实用新型专利,4项发明专利。截至目前,公司共取得发明专利17项,实用新型专利32项,国际专利1项。军品研发带来的核心竞争力,为公司产品应用领域从传统的化工、光源行业,拓展到太阳能、半导体及航空、航天领域奠定了坚实的基础。


        2 石英纤维三大特性支撑防务领域应用,国内龙头供应商向下游延伸

        石英纤维透波、高耐温特性可作航空航天结构与功能一体化材料

        石英纤维丝是石英纤维产品中基本的品种,既可以作为产品直接用于增强塑料制品,又是复合材料结构件的中间原料。石英纤维是将经过预处理的石英棒,通过气体加热的方式熔融石英棒,从熔融处引下并将单根纤维聚集成束,使用拉丝设备拉制出连续石英纤维丝,并经过后期纺织工艺可织成各种规格的石英纱、石英布、石英套管、石英绳、石英带等,也可以使用石英纤维丝产品来增强聚合物形成复合材料。


        石英纤维具有更出色的耐高温性能且极小介电损耗的特性,是集结构、防热、透波于一体的结构与功能性一体化材料。石英纤维相较普通玻璃纤维纯度更高进而具备更优异的耐热性能、电学性能以及力学性能;与碳纤维相比,石英纤维耐热性能更加突出具备独特的透波性与吸波性。相比较,石英纤维是集结构、防热、透波于一体的功能性材料。

        石英纤维是航空航天领域不可或缺的战略材料,从材料理论的观点来看,材料的性能决定了材料的应用方向。石英纤维具有强度高、介电常数和介电损耗小、耐高温、膨胀系数小、耐腐蚀、可设计性能好等特性,目前在航空航天有三大应用场景:

        石英纤维具有良好的介电性能,常用作机载雷达罩增强纤维之一,以达到最大传输和最小反射的目的,保护飞行器雷达和天线正常工作,已经在美国F-15、F-22等战斗机中得到应用;

        石英纤维具备优异的耐高温属性,可作为高马赫雷达天线罩的天线罩材料。在航天飞行器再入大气层,处于急剧的气动加热环境中仍可保持材料性能的稳定,在高温状态下仍具有良好介电性能。

        石英纤维具有优越的耐烧蚀性能,可应用在航天器作为热防护材料。一般的石英纤维可在600-1500℃长期使用,当温度高于1600℃时,石英纤维开始升华,这是一种吸热反应来消耗热能,利用这种性能,可用作宇航飞船和洲际导弹返回大气层的烧蚀材料。


        战机及导弹雷达罩需求释放或驱动透波石英纤维材料消耗量提升

        石英纤维是目前综合性能较好的天线罩材料,其抗热冲击性好,介电性能稳定,制造成本适中,技术也较为成熟,以石英纤维为基材的复合材料是应用于天线罩的主要材料。雷达天线罩选材的依据是高强度、高模量、耐候性好、介电性能好等,其中最重要的是介电性能,以达到最大传输和最小反射的目的。

        (一)机载雷达

        特定波长的雷达需要与军机雷达天线罩材料的透波性能相匹配,升级更换雷达系统需要同步更换机载雷达天线罩以保证机载雷达的正常运行。天线罩可用来保护飞行器雷达和天线正常工作,机载雷达天线罩既是飞机的结构部件,又是雷达系统发射电磁波透过的窗口,先进的雷达须配备先进的雷达天线罩,才能显现最终系统优越的综合性能。

        在新机列装与在役军机机载雷达维护升级需求双轮驱动下,石英纤维发展可期。(1)美军新列装的战机中,改进型号相比初始型号机载火控雷达价值占比有所提升。以美军大量装备的F-16和F-15为例,两型战机的初始型号中,机载火控雷达在战斗机整机价格占比5%到6.45%,后续列装的改进型号占比提升至10%左右。(2)美军已入役的战机中,机载火控雷达有大量维修升级需求。雷达升级方面,据1997-2020期间美空军年度预算案,美军F-15战机的总升级成本中有超过50%用于机载火控雷达升级。

        (二)导弹雷达

        天线罩是影响导弹制导系统的关键部件,导弹远程化制导系统的透波性能要求提升牵引石英纤维需求。随着现代军事科技的飞速发展,精确制导武器成为了实施精确打击的有效手段,利用雷达导引提供导弹飞行过程中所需要的制导信息,进而指引导弹飞向目标。石英纤维作为高马赫雷达天线罩的天线罩材料时,在高温状态下仍具有良好介电性能。打击精度随着导引系统的升级逐步提升,导引头中信息化程度提高,牵引石英纤维需求。

        导弹行业更加受益于现代化作战武器装备建设,主要基于三点逻辑。(1)导弹作为继武 器平台加速列装的后周期品种,有望受益于舰船、军机等导弹搭载平台装备列装带来的 市场空间提升;(2)实战化与实弹化训练导致导弹在和平时期的消耗品属性在日益凸显;(3)导弹是未来信息化战争模式下的主导进攻武器,在体系对抗中成为战略制衡与重 点打击要害目标的方式与手段,战时消耗量更大。


        高超音速飞行器航程和速度提升或将牵引石英增强纤维复材需求

        石英纤维具备优异的耐高温属性,可作为先进复合材料的增强体。作为设备仓的隔热保护材料,石英纤维可以保护航天飞行器再入大气层时,在处于急剧的气动加热环境中仍可保持材料性能的稳定。以石英纤维作为增强纤维的复合材料隔热防护材料可应用于航天飞行器防护,不同种类的石英玻璃纤维可对运载火箭防护系统、火箭喷管、飞机发动机等进行防护。

        目前航天装备如导弹、火箭、高超音速飞行器在大气飞行速度接近或者远超过音速,此时由于气动加热,其表面蒙皮及弹头温度会快速升高,因此对飞行器防热要求较高。随着高超音速飞行器马赫数的提高,表面温度急剧上升,此时传统材料难以满足耐热防护的要求。而石英纤维具有优越的耐烧蚀性能,可用作宇航飞船和洲际导弹返回大气层的烧蚀材料,当温度高于1600℃时,石英纤维开始升华利用吸热反应来消耗热能。

        随着我国高超音速飞行器航程和速度的不断增加,热防护材料表现出越来越重要的作用。《The Military Balance》指出,我国导弹数量在三个细分领域与俄美差距较为显著。根据英国智库 IISS 的数据,我国的自行式导弹发射架数量低于美国,远程地空导弹和洲际弹道导弹的数量均明显低于美国与俄罗斯,特别是洲际弹道导弹的数量仅为美国的18%,俄罗斯的21%。

        石英纤维龙头厂商加强编织能力,纵向延伸复合材料升级产业地位

        公司依托国内核心航空航天石英纤维供应商的龙头地位向下游复材结构件延伸实现纵向一体化,产值和附加值明显提高,复材结构件或将成为公司未来主要的业绩增长点。公司除石英纤维材料系列产品外,还具备预制件的生产能力,并成功研发防隔热功能复合材料制品、特种绝缘功能复合材料制品。目前已有两个型号复材产品完成研发,进入定型阶段,另有多个型号复材项目在研发过程中,随着未来新项目顺利定型,公司将晋级为多款型号的重要结构分系统研制单位,产品种类、产值和贡献利润将进一步扩大。

        公司拟收购中益科技51.88%股权以进一步提升公司从石英纤维到复合纤维材料的编织能力,拓展石英纤维产品布局。中益科技具有超薄、超宽、高强等特殊组织工业布纺织和表面处理生产能力,主要从事安全环保工业布产品的研发生产及销售业务,主要产品包括电子玻纤布、高强玻纤布、碳纤维布、石墨烯纤维布、石英纤维布等,下游主要应用于防火、绝缘、隔热、电子、航空航天等领域,拥有多种复合纤维材料编织技术、表面处理工艺和产品供应能力。未来公司将依托中益科技的核心产品与技术,与现有石英纤维复材业务协同发展,实现纵向一体化进而提升产品附加值,打开成长天花板。

        3 气熔原材料供应商跃升为器件配套商,新增电熔材料实现全品类覆盖

        半导体石英玻璃材料制备工艺决定应用场景,半导体设备厂商认证壁垒高

        石英玻璃是半导体制造行业的重要耗材,目前我国石英玻璃材料、制品集中在中低端市场,高端市场长期被国外企业占据。石英玻璃材料可用于制作半导体、电光源器、半导通信装置、激光器、光学仪器、医疗设备和耐高温耐腐蚀的化学仪器,广泛应用于化工、电子、冶金、建材以及国防等工业。根据中国粉体网统计,石英玻璃材料的下游应用行业中半导体行业占比最大,达60%以上。根据Maximize Market Research数据,2019年全球半导体材料中国大陆地区市场份额相较之前提升明显达到16.67%。


        影响石英玻璃质量的主要是其气泡数量、金属杂质含量和羟基含量,这些缺陷与原料和制备方法密切相关,是衡量石英玻璃质量的主要标准。石英玻璃可分为天然石英玻璃以及合成石英玻璃,目前市场上较主流的制备石英玻璃的工艺包括电熔法和气炼法制备天然石英玻璃,化学气相沉积法制备合成石英玻璃。相比含有较高羟基含量的气熔石英玻璃材料,电熔石英玻璃材料的耐高温性更突出,被广泛用于生产半导体所需要的石英器件,且成本更低;合成工艺中石英玻璃杂质含量低,能够被应用于高端应用场景中。

        半导体芯片制造工序繁多,生产过程需要使用到多种辅助性石英器件,因而石英玻璃材料是半导体芯片生产过程中的关键性辅助耗材。一般半导体玻璃石英器件可以分为高温区器件和低温区器件两大类:高温区器件主要应用于需要在高温环境中直接或间接与硅片接触的扩散氧化等环节,一般采购电熔石英玻璃材料通过热加工生产;低温区器件主要用于在低温环境中使用的刻蚀环节,一般采购气熔石英玻璃通过冷加工生产。

        由于半导体制造商对石英玻璃材料的纯净度、规格精度、质量稳定性要求较高,半导体石英玻璃材料从上游原材料到下游制品均设置了较为严格的认证壁垒。石英玻璃材料厂商先将石英玻璃材料产品销售给下游的器件加工商,再经由加工商将石英玻璃材料通过机加工或热加工制成各类石英器件销售给半导体设备厂商,最后经设备商将包含石英器件的整套设备销售给芯片制造商;由于半导体石英器件在芯片过程中会发生一定损耗,器件加工商还会将产品直接销售给芯片制造商用以替换。目前只有通过指定的设备厂商认证的石英玻璃及制品供应商才有资格进入产业链体系。


        全球半导体石英玻璃材料空间近30亿美元,产能向国内转移、高精趋势明显

        在电子信息材料产品的生产工艺中需要使用和消耗大量的高性能石英玻璃产品。石英玻璃在半导体领域主要产品为半导体石英器件、半导体石英基板、半导体石英玻璃(含坩埚),其市场规模占比分别为41%、31%与28%。IDC预测数据表明,2021年全球半导体市场销售额将增加至5220亿美元,增幅达到12.5%。若按照公司招股书中数据,平均每1亿美元的半导体销售额需要消耗价值50万美元的石英玻璃材料进行测算,预计2021年全球半导体石英玻璃材料的市场空间约接近30亿美元。

        高纯、无污染、耐高温的合成石英玻璃材料及制品是先进制程半导体产品必不可少的辅材。目前半导体已经进入原子级加工水平,随着制程向7nm升级,原有的传统天然石英玻璃材料已经不能满足高端制程对均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净性的需求,而合成石英玻璃材料纯度更高,成为半导体进入先进制程的石英玻璃材料选择,因此逐渐出现了使用合成石英玻璃材料替代天然石英玻璃材料的趋势。

        半导体设备是半导体行业的投资基础,受益于半导体设备厂商产能逐渐向中国大陆转移,半导体石英玻璃材料市场国产替代有望加速。由于半导体石英器件先售给半导体设备厂商,再由设备厂商将包含石英器件的整套设备销售给芯片制造商;2021年Q1中国大陆半导体设备销售额增速达到70%,高于全球半导体设备销售额增速,半导体市场进入增长周期并迎来新的投资高峰,对应设备环节的高增长或将拉动半导体石英器件需求迎来高景气周期。


        气熔材料延伸至器件影响力提升,扩电熔+合成品类实现加工环节全覆盖

        在原有气熔石英玻璃材料领域,公司是国内唯一一家通过国际三大半导体原厂设备商认证的石英玻璃材料企业,随着公司产品在全球半导体设备厂商认证数量提升,公司在半导体石英耗材领域市占率有望逐步提升。公司已经获得日本东京电子株式会社(TEL)、科林研发(Lam Research)、应用材料公司(AMAT)认证,且获得认证的产品型号数量持续增加。2019年,公司半导体石英玻璃材料首次被日立高新技术公司(Hitachi HighTechnologies Corporation)批准使用。目前公司在刻蚀设备领域市占率约10%,随着商业资源的积累、产能扩张、成本优势及国产替代的推进,市占率有望逐步提高。


        公司积极拓展产品品类——新增电熔石英玻璃材料并提升合成石英玻璃材料产能,有望实现半导体加工环节从低温区到高温区的全覆盖。2020年公司低羟基电熔石英玻璃材料为多家客户提供测试和认证样品,随着公司募投项目陆续投产,并逐步进入放量阶段,公司有望持续受益,盈利能力或将进一步提升;公司合成石英玻璃三期项目已经顺利投产,通过技术研发和工艺改善,合成石英玻璃生产效率大幅提高,产能突破400吨并实现批量供货。

        公司石英玻璃材料制品一体化趋势正在逐步走向正轨。公司2015年收购上海石创,拓展石英制品领域,提高产品供应能力。公司后以石创为平台,通过代工形式给韩国,中国台湾等公司提供半导体石英器件。通过代工业务,公司成立了半导体事业部添置专用设备,在半导体器件加工技术方面得到积累。目前,全资子公司上海石创的半导体石英器件加工业务已经通过了中微半导体设备(上海)股份有限公司认证,未来随着高附加值的半导体石英器件逐步得到国际各大客户的认证进一步放量,公司毛利率有望进一步提升。

        4 依托合成石英玻璃材料生产能力,布局光掩膜版精加工打开长期空间

        合成石英玻璃为光掩膜版原材料,基材成本占比高能够决定下游芯片质量

        半导体光掩膜版又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版、掩模版等,是下游行业产品制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具,是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。掩膜版用于下游电子元器件制造业批量生产,是下游行业生产流程衔接的关键部分,是下游产品精度和质量的决定因素之一。光掩膜版的原材料主要为基板(合成石英、硼硅玻璃和苏打玻璃等),其中石英玻璃材料具有光学透过率高,热膨胀率低的特性,以石英玻璃为基的掩膜版更为平整和耐磨,下游应用包括平板显示、集成电路和电路板等。

        半导体光掩膜版制造过程复杂,步骤繁多,我国本土产业链还未实现贯通。产业链上游合成石英玻璃基材供应商会将合成石英玻璃块体切割成特定的尺寸,再经过磨削或研磨、粗抛光、精抛光等一系列加工工序,销售给下游中间客户。空白掩膜版是在石英玻璃基板上蒸镀金属薄膜,再在其上面涂布感光液而成。光掩膜版厂商会根据下游客户指定的图形,通过光刻机在空白掩膜版上进行曝光显影,对铬层进行蚀刻,以保留最终的图形。

        半导体掩膜版公司的核心竞争力体现在能利用核心技术高效生产高质量、高精度掩膜版产品。在芯片制造过程中需要经过十几甚至几十次的光刻,每次光刻都需要一块光刻掩膜版,每块光刻掩膜版的质量都会直接影响光刻的质量,掩膜版上的制造缺陷和误差也会伴随着光刻工艺被引入到芯片制造中。根据清溢光电数据,2020年石英光掩膜版中直接材料成本占到石英光掩膜版业务营收的51%左右,能够充分说明作为光掩膜基板关键原材料的石英玻璃材料在光刻工艺中发挥了重要的作用。


        受益面板及半导体领域产能转移,2025年国内合成石英市场或超20亿元

        未来,受益于国内平板显示、半导体芯片等领域的快速发展,国内光掩模版产业也将迅速发展,更多本土企业正由产业低端环节向高端市场延伸。根据IHS数据,2025年全球显示面板用光掩膜版市场规模将增长至162亿元,在工艺技术提升、全球产能向中国转移等因素的促进作用下,预计2025年我国显示面板用光掩膜版市场规模将增长至113亿元,对应合成石英市场规模增长至21亿元,2020-2025年CAGR=27.50%。未来,除显示面板外,公司还有望进一步拓展至半导体光掩膜应用场景。

        由于掩膜版行业属于高进入门槛行业,市场主要参与者主要为境内外知名企业,市场集中度较高,竞争格局将较为稳定。目前,全球空白掩膜版市场被HOYA和AGC两家日本公司垄断,行业龙头HOYA市占率超过50%。而全球光掩膜版市场主要被美国Photronics、日本DNP以及日本Toppan三家公司所主导,三家公司的市场份额超过80%。从全球市场来看,光掩膜版主要应用在IC、LCD领域,占比分别为60%和23%。


        全球电子信息产业高端环节向中国大陆转移或将牵引光掩膜版需求持续提升:

        (1)高精度掩膜版是生产高分辨率TFT-LCD显示屏的关键要素,随着中国大陆高世代面板线的陆续投产,对高精度、大尺寸的掩膜版需求将大幅增加;近年来我国集中建设高精度、高世代面板线为承接全球新型显示产能转移提供了良好条件,全球平板显示产业布局向中国转移的进程明显加快;目前中国大陆已经成为全球面板产能最多的地区,根据IHS统计,中国大陆平板显示面板全球占比由2018年39%增长到2020年52%。 (2)中国大陆半导体芯片行业处于快速发展期,掩膜版市场空间巨大。根据世界半导体贸易统计协会(WSTS)发布的数据,亚太地区仍为全球最大的半导体芯片市场,在国家集成电路产业投资基金第二期的带动下,中国大陆半导体芯片产业生产线的投资布局将进一步拓展,本土产业链不断完善,配套体系逐步形成,半导体材料领域国产化率进一步提升。


        基于合成石英玻璃技术先发优势,光掩膜版精加工进一步实现客户拓展

        公司依托合成石英量产能力,在光掩膜基板相关业务上具有先发优势:(1)在面板方向上,公司在大规格合成石英玻璃材料制造技术及生产规模处于国内领先地位。(2)半导体方向上,公司已经与日韩和国内掩模版厂商建立了良好的合作关系,未来有望在国产化进程中受益。公司是国内首家具备生产G8代大尺寸光掩膜版基材的生产企业,在大规格合成石英玻璃材料制造技术及生产规模上处于国内领先地位,目前已推出从G4代到G8代的系列产品,2020年公司在国内独家研发生产G8.5代光掩膜基板,打破了长期以来国外企业的垄断。


        公司增资上海石创以在合肥高新区设立的子公司合肥光微光电科技有限公司,实现实质性布局和加快推进光掩膜基板这一更加坡长雪厚的新赛道,中长期增长空间打开且可期。上海石创以在合肥高新区设立的子公司合肥光微光电科技有限公司,投资TFT-LCD及半导体用光掩模版精加工项目,本项目新增断面研磨机、清洗机等14台生产设备,建设TFT-LCD及半导体用光掩膜版精加工项目,项目建成后将形成年产2100片光掩膜版的生产能力。

        公司从粗磨到精磨,公司与原有客户绑定实现配套级别的跃升,并且实现客户的进一步拓展。光掩膜版的精加工工序由于技术门槛高、加工难度大、客户要求高等原因,目前主要由日、韩、台等厂商把控,国内尚无具备符TFT-LCD及半导体用光掩膜版精加工能力的企业。目前公司主要客户为Hoya等日韩掩膜版制造企业,未来随着项目的顺利建成投产,公司将实现从上游合成石英玻璃材料生产商到合成石英掩膜版基板供应商的转型,有能力直接面对日本爱发科、长沙普照等掩膜版制造商,提升产品附加价值的同时拉动原材料销售。

        来源:长江证券


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