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“缺芯”困境下,关于半导体材料你知道多少?

文章出处:未知 人气:发表时间:2021-03-13 13:43

芯片是信息社会的基础,而指甲盖大小的芯片里都可能有数亿个晶体管,进行大量信息的存储和计算,而硅片是这些晶体管所组成的电路的基板。石英矿石和日常所见的沙子的主要成分就是硅。从“沙子”到芯片(工业用的通常是石英矿石),中间要经过无数的、极精细的、复杂的加工工艺。

除了硅片以外,制造芯片所需材料你又了解多少?

事实上,芯片(集成电路)只作为半导体行业的一个子行业并非全部,而不同的应用领域对同种材料的性能要求存在着较大差异,通常来说,芯片领域对材料性能要求最为苛刻,生产工艺最为复杂,显示面板次之,光伏面板最低。本文侧重于芯片制造材料部分。

半导体石英矿石和日常所见的沙子的主要成分就是硅。从“沙子”到芯片(工业用的通常是石英矿石),中间要经过无数的、极精细的、复杂的加工工艺。除了硅片以外,制造芯片所需材料还包括电子气体、掩膜版、光刻胶及辅材、化学试剂、靶材、CMP材料、引线框架、封装基板、塑封料、键合线及其它材料等,业内又将这些材料划分为晶圆制造材料和封装材料两大类。

2018年,全球半导体材料销售额约519亿美金,其中,晶圆制造材料约322亿美金,封装材料约197亿美金,硅片和封装基板分别在晶圆制造和封装材料中占比超1/3。

因为高精度、高纯度、高风险性等特点,这些材料对制造技术和各物流环节的要求极高,全球半导体材料供应链主要依赖于日本、美国等国家的企业,易受新冠疫情、突发事件和国际局势等因素的冲击。

大硅片是晶圆制造的基础原材料

硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等半导体材料的电阻率随温度升高和辐射增强而减小,在加入微量杂质时,其导电性也会发生显著变化,这些特征使其成为制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的基础材料。当前,硅材料约占整个半导体硅片市场的95%,GaAs材料以射频器件为主,SiC和GaN材料以高功率为主,短期内化合物和硅材料主要是互补关系。硅材料应用广泛也很常见。当熔融的单质硅凝固时,其晶核长成晶面取向相同的晶粒,形成单晶硅。单晶硅材料的形成可粗略分为石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割等阶段,主要用于半导体和太阳能光伏发电等行业,一般半导体用单晶硅的纯度要求为99.999999999%(小数点后9个9)

按尺寸不同,硅片可分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸等,尺寸越大晶圆能切割下的芯片就越多,成本就越低,但对设备和工艺的要求则越高,当前全球市场已进入大硅片时代,2018年12寸硅片占比约64%,8寸占比约26%,其余的占比约6%。大硅片市场高度垄断,日本的Shin-Etsu和SUMCO大尺寸硅片(8寸和12寸)占全球份额约60%,其他有影响力的硅片厂商还有中国台湾的Global Wafer、Wafer Works和Episil、德国Siltronic、韩国LG Siltron、法国Soitec、芬兰Okmetic等,中国大陆的半导体硅片厂商有沪硅产业、金瑞泓、有研和中环等,当前12寸硅片主要依赖进口。
整体来看,国内半导体材料业在封装基板、CMP抛光液、湿电子化学品、引线框等部分的技术标准达到先进水平,靶材、电子气体、硅片、化合物半导体、掩模版本土生产实现突破,光刻胶、抛光垫、碳化硅、高纯石英材料等与先进技术存在较大差距。在许多细分领域,企业的研发投入和技术积累不足。