永鑫行研|光刻材料PSPI行业研究报告

本文是永鑫方舟团队第68篇原创行研

前  言

PSPI是一类对高能辐射（紫外光、X射线等）敏感的聚酰亚胺高分子材料，用于制作集成电路中的阻挡层，能起到特定绝缘和保护的作用。得益于其工艺简单、成本低等特点，目前PSPI在集成电路制造、先进封装、显示面板等领域得到了广泛的应用。不过，PSPI的生产工艺壁垒高、品质要求严格，目前国内PSPI材料依然高度依赖从日本东丽、美国HDM等公司进口，存在“卡脖子”的风险。

光敏聚酰亚胺（Photosensitive Polyimide，简称PSPI）树脂，是一类在高分子链上兼有亚胺环及光敏基团，具有优异的热稳定性与良好的机械、电气、化学和感光性能的有机材料。利用PSPI树脂在紫外线、X射线、电子束或离子束照射下会发生交联反应或分解反应，可以通过掩膜版在基材表面形成薄膜图形。

同时，由于使用PSPI树脂在基材上形成薄膜图形的工艺比较简单，生产成本低，因此PSPI树脂在集成电路（包括MEMS）制造、先进封装、显示面板等领域得到了广泛的应用，主要用于芯片表面的钝化层，多层金属互联电路的层间介质层膜，BGA/WLP等先进封装中的金属凸点制作中的介质绝缘层膜，以及塑封电路的应力缓冲保护层等。

2、PSPI树脂的优势和特点

聚酰亚胺（PI）是一种带有酰亚胺基团的高性能特种工程塑料，具有优异的绝缘性能、耐辐射、耐高温、高强度和模量性能，被广泛应用于航空航天、微电子、能源转换、半导体、光学等工业领域，既充当绝缘材料，又起到保护等作用。非感光PI在应用于需图案化场景时，如芯片封装应力缓冲层、再布线层等，需要额外在PI层上涂覆一层普通光刻胶材料，通过进一步的曝光显影得到光刻胶图案，再刻蚀掉没有光刻胶保护的PI部分，然后移除光刻胶层，最后才得到单独的PI图案层，这种工艺较为繁复，且需要多步湿法刻蚀，会破坏图案质量，造成图案分辨率下降、图形轮廓失真。为克服这些问题，人们将注意力集中在研制具有光敏性能的PI上，PSPI应运而生。

PSPI的优势在于拥有聚酰亚胺（PI）的其他性能的同时，具备了感光性，不用借助其他光刻胶就能实现PI的图案化。PSPI的性能体现在制作图案的感光特性和最终图案化薄膜的性能。感光特性取决于PSPI体系的光敏性以及聚合物分子结构。图案化过程是在紫外光辐照下，将掩模板的图案信息转移至旋涂于硅片衬底的PSPI薄膜上。

PSPI薄膜的光刻通常选择g线（436nm）、h线（405nm）或i线（365nm）作为图案化的紫外光源。这种紫外辐照可使PSPI发生化学变化，如脱保护、极性改变、断链和交联等，然后在显影步骤中，有选择地去除暴露或未暴露区域，从而形成图形。当用作光刻胶时，PSPI光刻胶与普通光刻胶之间最显著区别是，PSPI光刻胶在光刻形成图案后，留存在特定区域形成器件所需的介电绝缘层，而普通光刻胶在将其图案转移到底层材料后将被去除。

由于PSPI兼具光刻胶和介电绝缘层的功能，可以不需要借助其他光刻胶就能实现图案化，从而节约了材料成本，同时显著缩短了集成电路制造工艺，提高了光刻图形精度和成品率。

图1 PSPI图案加工工艺相较PI更加简单

资料来源：《负性光敏聚酰亚胺材料研究进展》（吴家豪等，2023）、开源证券研报

3、PSPI树脂的分类

PSPI生产壁垒高，合成关键是如何引进光敏基团及增感基团。按照曝光后得到的光刻图形的凹凸形状不同，PSPI树脂可分为负性和正性两种类型。负性PSPI树脂（n-PSPI）经曝光后发生交联反应，曝光区在显影液中的溶解度明显下降，经溶液显影、固化定影后，可以得到凸状光刻图形；而正性PSPI树脂（p-PSPI）相反，曝光后的曝光区在显影液中的溶解度明显提高，经溶液显影、固化定影后，可以得到凹状光刻图形。负性PSPI具有灵敏度高、对硅片黏附性好及成本低等优点，但其也存在着显影易膨胀、分辨率低等缺陷。

按照制备方法的不同，负性PSPI树脂可分为离子型PSPI、酯型PSPI和自增感型PSPI等3种。其中，离子型PSPI树脂通常是利用聚酰胺酸的羧基与含光敏性基团的有机含氮碱性物质，通过成盐反应而得到的；酯型PSPI树脂是利用聚酰胺酸的酸基与含光敏性基团的有机醇，通过醇酸成酯反应得到的；自增感型PSPI树脂是通过聚酰亚胺树脂主链中的酰胺基领位上的取代烷基与二苯甲酮结构单元的羰基在光照射下发生交联反应，从而降低树脂在溶液显影剂中的溶解度，因此得到凸状光刻图形的。

正性PSPI的研究相对于负性PSPI较晚，但是正性PSPI在光刻精度和环境友好性（在碱性水溶液显影）等方面均有更好的性能，因此应用前景相对更大一些。正性PSPI树脂按照光敏剂种类的不同，可分为邻硝基芐酯类PSPI、环丁基亚胺树脂类PSPI和重氮萘醌磺酸酯类PSPI等多种。

邻硝基芐酯类PSPI树脂的工作原理是，邻硝基芐酯类光敏基团在紫外线作用下分解成羧酸和醛，主链上连接有邻硝基芐酯类光敏基团的聚酰胺酸酯树脂在感光后使酯基转变成羧基，明显地提高了它在碱性水溶液中的溶解性；经碱性水溶液显影、固化定影后，曝光区完全溶解而非曝光区保留下来，从而形成正性凸状光刻图形。

环丁基亚胺树脂类PSPI树脂的工作原理是，含环丁基的聚酰亚胺树脂受光辐照后发生分解反应，使得曝光区在有机显影剂中的溶解度提高，从而得到正性图形。重氮萘醌磺酸酯类PSPI树脂是由聚酰胺酸树脂与在光辐照下可形成有机羧酸化合物的光敏剂混合而成的；在光辐照作用下，重氮萘醌磺酸酯基团（DNQ）分解，形成有机茚酸类物质，使得曝光区树脂在碱性水溶液显影剂中的溶解度明显提高，从而得到正性图形。

图2 PSPI材料的分类

资料来源：《集成电路产业全书》、永鑫方舟团队整理

4、PSPI材料发展趋势

PSPI由于兼具光刻胶和介电绝缘层的功能，因此在具体的使用过程中需要同时关注其作为光刻胶的特性和作为介电绝缘层的特性。在作为光刻胶时，需要关注PSPI的灵敏度、对比度、分辨率、侧壁轮廓、热处理过程、显影特性以及光刻胶的存储稳定性等。而在作为介电绝缘层时，需要关注PSPI的热稳定性、机械性能、尺寸稳定性、介电性能、粘接性能以及耐化学腐蚀性等。最终PSPI薄膜的性能一方面和聚酰亚胺树脂本身的结构有关，另外一方面也和体系内所添加的各类添加剂有关。

近年来国内外有关PSPI的研究逐渐增多，目前的研究热点有：

1）可溶性PSPI的研究。通过在PSPI的分子链中引入柔性基团，如醚键，或引入大的侧基，如含氟取代基、硅氧烷取代基，或采用非共平面结构的二胺或二醉单体，或通过共聚破坏分子链的对称性和规整度，都可以增加PSPI在有机溶剂中的溶解性能。

2）功能性PSPI的研究。通过在PSPI的分子结构中引入某些特殊的基团可制备出具有低膨胀系数、低吸湿率、高透明的PSPI材料。目前有机硅改性和含氟PSPI具有较好的粘附性和柔韧性，较低的吸湿率、介电常数小等优点，但由于含氟型树脂价格昂贵而限制了它的应用。与此同时，有机硅改性和含氟的PSPI其耐热性能较非改性的PSPI不同程度的有所下降。

PSPI材料的上游主要包括PI（聚酰亚胺树脂）高分子材料及其原材料，中游是PSPI材料的生产制造，下游应用领域包括集成电路（包括MEMS）、先进封装、OLED显示面板等。

图3 PSPI材料产业链

资料来源：前瞻产业研究院、开源证券研究所等

PSPI是一种组合体系，不仅包括聚酰亚胺树脂（光敏或非光敏），也包括所添加的光敏剂、增感剂、光引发剂、催化剂以及其它添加剂。其中，光敏性的来源可以是聚酰亚胺（PI）树脂，也可以是与聚合物树脂混合的添加剂。

体系内的聚酰亚胺树脂既可以是聚酰亚胺，也可以是聚酰亚胺的前体，如聚酰胺酸（PAA）、聚酰胺酸酯（PAE）、聚酰胺酸盐或聚异酰亚胺等。如采用PI前体作为PSPI中的树脂成分，那么在实际的光刻图形化过程中，这些PI前体需要通过酰亚胺化过程转化为相应的聚酰亚胺结构。

2、PSPI材料下游应用领域

2.1 PSPI在集成电路晶圆制造过程中的应用

在集成电路中，PSPI通常被用作缓冲涂层、钝化层以及多层互连的平坦化层，保护芯片上特定区域免受机械、热或应力影响。另外，PSPI也被应用在功率器件及IGBT的绝缘高温防护层、α射线屏蔽材料等，对器件的应用可靠性起关键作用。与传统非光敏PI相比，由于PSPI本身有着很好的感光性能，因此在使用时无需涂覆仅起工作介质作用的光刻胶，可以大大缩短工序，提高生产效率。

MEMS是利用集成电路制造技术和微加工技术把微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统。PSPI已经成为MEMS制造中理想的层间和金属线间的介电绝缘材料以及MEMS系统组件构筑的结构材料。传统MEMS的介电绝缘层，如氧化硅和氮化硅，需要特殊的沉积过程和图案成型步骤。使用PSPI做绝缘层不仅简化制造过程，而且具有热稳定性、耐化学性、低介电常数和低残余应力等优良性能。

在研究方面，科学家曾以图案化的PSPI辅助二维MoS2实现图案化，代替以往的化学气相沉积MoS2的光刻图案化技术，以此构建基于二维MoS2的光电探测器阵列。这种方法可以从根本上抑制MoS2非结晶表面缺陷和传统光刻技术中可能出现的残留或污染，同时图案化的PSPI材料也作为电介质层，展现出高耐热、耐化学性、高绝缘性以及设计的灵活性。

图4 PSPI在MEMS领域的应用

资料来源：《芯片制造中的化学镀技术研究进展》（叶淳懿等），光大证券研报

2.2 PSPI在先进封装中的应用

在先进封装领域，PSPI被用来制作多层金属互联电路的层间介质层膜，BGA/WLP等先进封装中的金属凸点（Bumping）制作中的介质绝缘层膜。先进封装技术是将模块化功能芯片集成为独特的三维芯片架构，从而提升计算和信息处理能力，因此这种封装技术需要将单个半导体芯片连接到其他芯片的输入和输出通路。将多个芯片连接到同一电路，需要在封装层面上进行精细的再布线（RDL），由此产生的器件需要在更窄的间隔上容纳更多的金属线。

图5 SPI在先进封装Bumping工艺中的应用

资料来源：艾森股份招股说明书

先进封装要求在晶圆划片前融入封装工艺步骤，具体包括应用晶圆研磨薄化、线路重排（RDL）、凸块制作（Bumping）及三维硅通孔（TSV）等工艺技术。上述先进封装工艺技术涉及与晶圆制造相似的光刻、显影、刻蚀、剥离等工序步骤，从而使得晶圆制造与封测前后道制程中出现中道交叉区域，具体如下图：

图6 先进封装处于晶圆制造与封测制程中的交叉区域

资料来源：艾森股份招股说明书

目前，带有倒装芯片（FC）结构的封装、晶圆级封装（WLP）、系统级封装（SiP）、2.5D封装、3D封装等均被认为属于先进封装范畴，上述先进封装大量使用RDL、Bumping、TSV等工艺技术。以先进封装Bumping工艺为例，Bumping 凸块替代传统封装中的金线键合，以微小的焊球或凸块实现芯片与封装载板的互联，典型工序流程如下：

图7 典型的Bumping工艺流程（及PSPI涉及的环节）

资料来源：艾森股份招股说明书

PSPI可被用作RDL介质，其除了需要提供可靠封装所需的电气、机械和热性能外，还必须可实现更高分辨率的图案化。现在的芯片主要利用5μm的金属线，然而随着2μm线路和多层RDL的出现，半导体行业需要更细的线路，因此PSPI需要更精细的图形化和更好的绝缘性（同时拥有较低的介电常数和介电损耗）。此外，为了防止晶圆翘曲，PSPI必须具有非常低的热膨胀系数、较高的机械性能和对不同材料的高粘接强度。

图8 典型的RDL结构示意图

资料来源：《芯片制造中的化学镀技术研究进展》（叶淳懿等），光大证券研报

2.3 PSPI在OLED显示面板领域的应用

显示产业在电子信息产业中占据重要地位，是国家战略性支柱产业，其中OLED是现阶段显示产业发展的重点领域。近年来国内面板企业对新一代显示技术AMOLED产线大力投建，国内终端AMOLED面板市场规模持续增长。根据TrendForce预测数据，2026年全球AMOLED面板手机市场渗透率将超过60%；而根据CINNO Research数据，2024年上半年，中国面板公司占全球智能手机OLED面板出货份额的50.7%，同比增长10.1个百分点。此外，OLED应用渗透率持续提升，根据Omdia预测，到2030年中尺寸AMOLED年复合增长率将高达34%，下游笔电、平板、TV等中大尺寸应用有望持续放量，这能带动国内OLED产能持续快速增长。OLED面板产业上游核心原材料供应链自主化程度低，国内替代空间广阔。

PSPI是OLED显示制程的光刻胶，是除发光材料外的核心主材，拥有优异的热稳定性、良好的机械性能、化学和感光性能。在OLED制程中用于平坦层（Planarization，PLN）、相素定义层（Pixel Defining Layer，PDL）、支撑层（Protective Substrate，PS）。

图9 PSPI在OLED领域的应用示意图

资料来源：奥来德公司公告

OLED显示具有独立的子像素结构，子像素由PDL分割形成像素阵列，这种阵列结构是利用光刻工艺实现的。在沉积OLED发光层之前，通过光刻工艺对像素定义层进行图案化。作为PDL层，PSPI需要高而稳定的介电强度、高耐热性和化学稳定性，且可以在250℃以下固化。

3、PSPI材料市场规模

PSPI前景广阔，国内市场替代空间大。由于PSPI可用作光刻胶和电子封装胶使用，且性能优于传统的光刻胶和电子封装胶，未来在集成电路、OLED面板等电子产业快速发展背景下，PSPI市场需求有望持续攀升。根据Global Info Research整理研究显示：2023年，全球PSPI市场规模达到了5.28亿美元（约合人民币38亿元），预计2029年将达到20.32亿美元（约合人民币146亿元），年复合增长率（CAGR）为25.16%。

图10 全球PSPI市场规模（百万美元）

资料来源：Global Info Research，艾森股份相关公告

根据中国电子材料行业协会（CEMIA）统计数据，2023年中国集成电路晶圆制造用光刻胶市场规模为49.39亿元，同比2022年的46.93亿元增长5.24%，预计到2025年中国集成电路晶圆制造用光刻胶市场规模将达到58.61亿元。其中，2023年中国集成电路晶圆制造用PSPI光刻胶市场规模7.97亿元。

2023年中国集成电路封装用光刻胶市场规模11.31亿元，同比2022年的10.68亿元增长5.9%，预计到2025年市场规模将增长至13.69亿元。其中，2023年中国集成电路封装用PSPI光刻胶市场规模3.96亿元。

2023年中国OLED用光刻胶市场规模1.18亿元，预计到2025年中国OLED用光刻胶市场规模将增长至1.61亿元。根据以上统计数据可知，2023年国内PSPI材料市场规模在13亿元左右。

4、导PSPI材料市场竞争格局

4.1 全球PSPI主要企业

由于PSPI行业技术壁垒较高，目前日本和美国企业仍占据全球PSPI市场的主导地位。全球PSPI 生产企业主要包括日本东丽（Toray）、美国HDM（HD Microsystems）公司、日本富士胶片（Fujifilm Electronic Materials）、日本旭化成（Asahi Kasei）、日本JSR等企业。根据恒州博智数据，2022年全球前三大 PSPI厂商占有大约 93.0%的市场份额。

1） 日本东丽（Toray）

东丽（Toray）株式会社成立于1926年，是一家总部位于日本的跨国化学公司，是世界著名的以有机合成、高分子化学、生物化学为核心技术的高科技企业。Toray是全球中正性PSPI产品市场化最成功的企业之一，其正性产品被应用在微电子封装、光电子封装等多个领域。2022年，Toray在全球PSPI市场中的份额达34%。

2）HDM（HD Microsystems）公司

HDM公司成立于1997年，是一家化学材料供应商，由美国杜邦公司和日立化学公司（现为Resonac，昭和电工）合资成立。HDM专注于高性能的PI产品，广泛应用于微电子行业，尤其是在芯片封装和封装衬底的介电材料领域。HDM研发的HD系列PSPI产品性能优异。

3）富士胶片（Fujifilm Electronic Materials）

富士胶片（Fujifilm）株式会社成立于1934年，是世界上规模最大的综合性影像、信息、文件处理类产品及服务的制造和供应商之一。目前富士胶片是半导体和显示行业的领先材料供应商，是PSPI的主要供应公司之一。

4）旭化成（Asahi Kasei）

旭化成是一家日本综合化学公司，产品包括化学品和材料、建筑材料、纤维制品和电子相关材料。Asahi Kasei的电子材料业务包括半导体制造过程中使用的高纯度化学品、光刻胶、清洁剂和其他精细化学品在内的日化品产品。Asahi Kasei在台积电举办的2024年供应链管理论坛上，凭借PSPI材料荣获“2024年台积电优秀表现奖”，以表彰其“在先进封装领域的卓越技术协作与生产支持”。

5）JSR

JSR Corporation成立于1957年，总部位于日本东京，是一家从事弹性体、塑料、数字解决方案和生命科学业务的公司。

4.2 国内PSPI主要企业

国内PSPI行业起步较晚，且由于PSPI生产壁垒较高等因素，产业呈现“进口依赖度高、产业规模小、且产品多集中在中低端领域”等特点。目前国内PSPI行业已有多家企业布局，鼎龙股份、艾森股份、奥莱德、国风新材等公司已陆续实现PSPI的国产化突破，国产产品放量可期。

1） 艾森股份（688720.SH）

江苏艾森半导体材料股份有限公司，成立于2010年3月，总部位于江苏昆山，是国内领先的电子化学品企业之一。公司主营业务为电子化学品的研发、生产和销售，围绕电子电镀、光刻两个半导体制造及封装过程中的关键工艺环节，形成了电镀液及配套试剂、光刻胶及配套试剂两大产品板块布局。

在光刻胶及配套试剂方面，公司以光刻胶配套试剂为切入点，已成功实现附着力促进剂、显影液、去除剂、蚀刻液等产品在下游封装厂商的规模化供应。同时，公司积极开展光刻胶的研发，以先进封装负性光刻胶、OLED阵列制造用光刻胶以及晶圆用PSPI等特色工艺光刻胶为突破口，覆盖晶圆制造、先进封装及半导体显示等应用领域，成功打破国外垄断，并逐步向先进制程延伸。

2024年11月29日，艾森股份公告，其自主开发的正性PSPI产品已获得晶圆头部企业的首笔订单，此为正性PSPI材料在主流晶圆厂的首个国产化材料订单，具有国产化里程碑意义。同时，艾森股份也积极布局了负性PSPI、低温交联型PSPI、超高感度PSPI以及类PI型材料，预计数年内可完成材料认证工作，进入量产阶段。

2） 鼎龙股份（300054.SZ）

湖北鼎龙控股股份有限公司，成立于2000年7月，总部位于湖北武汉，依托科技创新和产业整合，布局光电半导体材料、打印复印通用耗材全产业链。公司目前全面布局半导体封装PI产品，覆盖非光敏PI、正性PSPI光刻胶和负性PSPI光刻胶。公司在CMP抛光垫、PSPI材料及先进封装材料等研发生产方面已取得一定的成就，部分产品面向市场赢得了较好的口碑。

在显示面板PSPI光刻胶领域，公司2015年进行布局，2021年取得客户验证，2022年实现量产。2022年，公司OLED显示用光刻胶-光敏聚酰亚胺（PSPI）荣获中国电子材料行业协会《创新突破奖》。2024年，公司PSPI产品荣获DIC国际显示材料创新金奖，是OLED显示材料领域唯一获此殊荣的材料。目前公司已经完成PSPI产品迭代，成为国内OLED显示用光刻胶供应商之一。

在封装PSPI光刻胶领域，公司2020年进行技术储备，2022年取得客户验证，2023年实现量产。目前公司掌握了封装光刻胶 PSPI合成技术，拥有相关核心指标的调控能力。2024年上半年，公司仙桃产业园已经正式投入使用，PSPI产线开始批量供货。公司现有合计1,200吨PSPI产能。

3） 奥来德（688378.SH）

吉林奥来德光电材料股份有限公司，成立于2005年6月，总部位于吉林长春，是国内OLED材料和蒸发源设备的代表企业，其产品下游客户主要包括京东方、天马集团、TCL华星、维信诺、和辉光电等龙头面板厂商。

在半导体显示光刻胶领域，公司针对PSPI材料、PR材料均有布局。其中，PSPI材料是OLED显示制程的光刻胶，目前公司已实现产线供货，并于2024年上半年实现营业收入1,100.5万元，当前正积极推动PSPI材料在头部面板企业的测试工作。此外，公司经过长期的研发积累，在封装材料和PSPI领域不断延伸，已在PFAS-Free PSPI、黑色光刻胶（BPDL）、PR、封装材料的减薄配方、低介电常数的技术开发等方面，加快推进相关产品的国产化替代。

除了上述几家上市公司外，国内还有国风新材、八亿时空、强力新材、波米科技、玟昕科技等在PSPI领域积极布局，且取得了一定的业务进展。

PSPI材料凭借其优异的性能和类似于光刻胶的加工特点，在集成电路、先进封装和OLED显示面板等高速发展的领域具有较大的应用前景。后续，伴随着国内相关产业需求的进一步扩大，国内PSPI的市场规模也将持续扩增。

不过，目前PSPI的生产技术与市场主要由日美企业所掌控和垄断。国内PSPI企业起步较晚，与国外巨头相比，还有较大的差距。近几年，已经陆续有多家企业布局PSPI，在国产化方面取得了不错的进展，部分产品已经在验证和小批量供应阶段，后续放量可期。

参考资料：

1、集成电路产业全书；

2、艾森股份招股说明书、年报等公开资料；鼎龙股份、奥来德、国风新材公司公告；

3、开源证券《基础化工行业周报：PSPI材料性能优异，国产替代空间广阔》；

4、光大证券《化工行业周报：PSPI国产化突破，推动OLED面板及半导体产业向好发展》；

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