精密 / 超精密运动模组行业的发展概况

文:全国半导体器件标准化技术委员会2020年第五期

近年来,随着中国泛半导体产业的蓬勃发展,支撑显示面板、化合物半导体、光伏、PCB、生物医药等行业的关键、核心国产高端制造装备迎来了爆发式的增长,使得满足上述行业发展需求的国产高端制造装备对上游供应链的需求量也大幅提升,特别是今年以来尤为显著。作为精密检测类装备中的核心子系统,精密/超精密运动模组的市场需求也出现了大幅增长。据不完全统计,2017-2020年上半年国内地区对高端精密运动系统的需求量约为3.5-4.0亿元/年,未来在国产化和下游需求的驱动下,预计未来五年市场规模有望达到6亿元/年。本文将集中聚焦国内外精密/超精密运动模组进行分析。

高端制造装备的技术迭代,对精密运动系统的精度、速度、加速度提出了更高的要求。根据精度要求可分为低端、中端、高端和超高端精密运动系统,具体分类如下表所示。高端精密运动系统领域国外进口厂商主要包括美国Aerotech(成立于1969年)、美国Newport(成立于1970年)和德国PI等。中国高端精密运动模组市场主要由境外厂商主导,2020年度Aerotech、Newport和PI等国外厂商占据了接近70%的市场份额,中国厂商占有约30%的市场份额。


精密/超精密运动模组相关技术指标实现的功能

对于精密/超精密运动模组而言,定位精度和重复定位精度是评价其性能能力的主要指标。另一方面,运动直线度、运动行程、运动自由度等数量指标参数决定了系统的精密性、复杂性及难度,同时也是考量运动模组产品技术水平的标准。其中,直线度指标决定了运动系统在运动中的准直性,并直接影响系统平行性与正交性;对于大尺寸、大运动行程的精密运动模组而言,为了保证其结构模态、直线度、平面度、正交性、稳定性等性能,需要具有较高的设计技术与集成工艺技术。因此,通常情况下将精密/超精密运动模组的定位精度、重复定位精度、运动直线度作为对比参数。精密/超精密模块的定位标准划分如下:

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上述四类产品适用的行业有所不同。通常情况下,低端精度运动模组主要应用于3C行业;中端精度运动模组主要应用于激光加工行业;高端精度运动模组主要应用于显示面板、PCB行业、半导体及生物基因检测行业。


精密/超精密运动模组的发展历史

精密运动模组的发展与大规模应用离不开市场的需求牵引。以直线电机为驱动单元的精密模组、精密运动台的发展,与市场对精度等级、高速高加速的需求不断升级密不可分。2012年之前,国内诸如一类XY等多轴定位运动台,主要以伺服或步进电机为驱动单元,通过丝杠传动,将电机旋转运动转化为载物台的直线运动,精度等级为几十微米。

2013年,以苹果手机的需求为牵引,马达线、点胶机、玻璃制备、力控测试、HOME键测试、扬声器、视觉、语音识别等细分市场,在长三角与珠三角地区爆发。多年的市场锤炼造就了一大批优秀的自动化设备厂,上述厂商开始逐渐使用直线电机驱动的直线模组及精密运动台。此时,市场对直线模组的精度需求为10-20微米等级,属于传统丝杠传动精度的极限边界。因此在这段时间,传统丝杠传动模式与直线电机驱动模式之间发生了强烈的博弈。

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2015年,随着激光器的逐渐成熟,大陆地区的激光切割、激光加工等细分市场突起,带动了诸如玻璃屏幕切割、手机壳激光毛化处理、后视镜切割、激光打标等细分市场的增长,随着激光器及其工艺的成熟发展,带来了对精密直线模组精度需求的提高,对定位精度、重复定位精度、速度、加速度等指标提升了一个等级,精度需求逐渐过渡到5-10微米左右的中端产品精度等级。因此,直线电机驱动的精密直线模组与精密运动台得以大规模、大批量应用。在此背景下,涌现出一大批直线电机及其模组制造商,极大地加速了国产自动化装备的发展。

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2018年,中兴事件的爆发加速了大陆地区半导体设备国产化进程,尤其是后道工艺制程设备。6/8/12英寸硅基晶圆AOI检测、4/6英寸碳化硅晶圆AOI检测、芯片分选机等半导体封装、晶圆wafer隐性切割、检测设备逐渐进入国内知名的半导体Fab厂,并得以批量应用。由于半导体设备对精度等级的要求较高,因此该细分市场带动了精密运动模组的精度等级的全面提升,半导体检测设备所需的定位精度小于5微米,使得半导体设备中精密定位系统几乎全部采用了直线电机驱动的精密运动模组,预计今年半导体设备对直线电机模组及运动台的需求量约为0.75亿人民币,并将以每年30%的增幅递增。

同年,国产OLED屏幕在G5.5世代、G6.0世代、G8.5世代、G10.5世代面板显示屏的高端制备中成为了大陆地区的Display事业发展中重要且不可或缺的中坚力量。随着面板显示行业逐渐向大尺寸、高分辨率、高精度等方向发展,直线电机驱动的精密运动模组在该细分市场中逐渐胜出,淘汰传统丝杠传动模式。目前该细分市场中的直线定位系统几乎被直线电机驱动的精密运动模组所垄断,显示面板制备设备中的精密运动系统所需的定位精度小于5微米。预计今年显示面板设备对直线电机模组及运动台的需求量约为0.85亿人民币,并将以每年25%的增幅递增。

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2019年,5G技术带来了巨大的细分市场需求,包括线路板LDI曝光、铜板打孔、显影、AOI检测等等。在线路板制备工艺中,最为复杂的即为LDI曝光,据不完全统计,今年PCB板曝光LDI设备的国内需求量为600台左右,折合约12亿人民币。由于LDI曝光设备对精度要求比较高,精密运动系统所需的定位精度小于5微米,因此驱动单元几乎全部采用直线电机,预计今年LDI设备对直线电机模组及运动台的需求量约为1.2亿人民币,并将以每年30%的增幅递增。

今年,全球性芯片供给不足,先进封装、先进制程等国产半导体设备需求量陡增,同时对精密运动模组的精度等性能要求也在相应提高,此类半导体设备所需的精密运动系统定位精度在1μm左右。预计今年此类半导体设备对直线电机模组及运动台的需求量约为0.5亿人民币,并将以每年30%的增幅递增。

综上,随着国内高端制造装备需求的不断提升,在国产化进程不断加速的趋势下,精密/超精密运动模组具有巨大的市场空间。

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