Los componentes cerámicos de precisión se refieren principalmente a piezas cerámicas estructurales complejas y de alta precisión utilizadas en equipos semiconductores. Estos componentes cerámicos de precisión son partes clave de los equipos semiconductores, y su I+D y producción afectan directamente al desarrollo de la industria de semiconductores. En los últimos años, con los ajustes en las políticas nacionales, la industria de semiconductores se ha desarrollado rápidamente y su escala ha crecido significativamente. A medida que los equipos de fabricación de semiconductores continúan evolucionando hacia una mayor precisión y complejidad, los requisitos técnicos para los componentes clave cerámicos de alta precisión también están aumentando. Debido a las ventajas de las cerámicas —alta dureza, alto módulo de elasticidad, alta resistencia al desgaste, alto aislamiento, resistencia a la corrosión y baja expansión térmica—, se pueden utilizar como componentes en pulidoras de obleas, equipos de tratamiento térmico de epitaxia/oxidación/difusión, máquinas de litografía, equipos de deposición, equipos de grabado de semiconductores e implantadores de iones. Las cerámicas semiconductoras incluyen alúmina, nitruro de silicio, nitruro de aluminio y carburo de silicio. En los equipos semiconductores, las cerámicas de precisión representan aproximadamente el 16% del valor total.

(Fuente de la imagen: pexels)

Se entiende que se utilizan una gran cantidad de componentes de precisión de cerámica de óxido en equipos semiconductores. Por ejemplo, los recubrimientos de Al₂O₃ de alta pureza o las cerámicas de Al₂O₃ se utilizan como materiales protectores para cámaras de grabado y componentes internos. Además de las cámaras, las boquillas de gas, las placas de distribución de gas y los anillos de retención para sujetar obleas en equipos de plasma también requieren cerámicas de alúmina. En los procesos de pulido de obleas, las cerámicas de alúmina se utilizan ampliamente en placas de pulido, plataformas de acondicionamiento de almohadillas de pulido y portabrocas de vacío.

(Placa de pulido de alúmina, fuente: Kyocera, Japón)

Además, como mencionamos anteriormente, las cerámicas de zirconia son el material principal para la fabricación de capilares de unión, que son herramientas esenciales en los procesos de unión de cables.

Los materiales de carburo de silicio tienen un módulo de elasticidad, conductividad térmica y coeficiente de expansión térmica extremadamente altos. No son propensos a la deformación por tensión de flexión o deformación térmica y tienen una excelente pulibilidad, lo que permite mecanizarlos en superficies de espejo superiores. Por lo tanto, el uso de carburo de silicio como material para componentes estructurales de precisión en equipos semiconductores clave, como las máquinas de litografía, ofrece ventajas significativas.

(Conjunto de etapa de movimiento fino de carburo de silicio)

Como compuesto de enlace covalente, el nitruro de silicio tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, alta conductividad térmica, excelente resistencia a la corrosión química y una destacada resistencia al choque térmico. El Si₃N₄ sinterizado por prensado en caliente tiene una dureza extremadamente alta y una excelente resistencia a altas temperaturas. Su resistencia se mantiene sin disminuir a altas temperaturas de hasta 1200 °C, y no se funde al calentarse, descomponiéndose solo a 1900 °C. Por lo tanto, las cerámicas de nitruro de silicio se consideran el "material cerámico con el mejor rendimiento general" y se utilizan para fabricar plataformas, guías, rodamientos y otros componentes en equipos semiconductores.

(Fuente de la imagen: Haituo Innovation)

Los portabrocas electrostáticos actuales utilizan principalmente cerámicas de alúmina como material principal. Sin embargo, la conductividad térmica y las propiedades mecánicas relacionadas de la alúmina son inferiores a las de las cerámicas de nitruro de aluminio. Por lo tanto, el uso de cerámicas de nitruro de aluminio en lugar de cerámicas de alúmina como material de fabricación de portabrocas electrostáticos es una tendencia futura.

En las máquinas de litografía de alta gama, para lograr una alta precisión de procesamiento, es necesario utilizar ampliamente componentes cerámicos con buenas propiedades compuestas funcionales, estabilidad estructural, estabilidad térmica y precisión dimensional. Estos incluyen portabrocas electrónicos (E-chucks), portabrocas de vacío, bloques, placas refrigeradas por agua para marcos de acero magnético, reflectores y guías. Estos componentes clave suelen estar fabricados con materiales cerámicos.

(Marco refrigerado por agua para motor de escaneo)

(Espejo rectangular para máquina de litografía)

En equipos de grabado, los componentes fabricados con materiales cerámicos incluyen principalmente mirillas, placas de distribución de gas, boquillas, anillos aislantes, placas de cubierta, anillos de enfoque y portabrocas electrostáticos. A medida que disminuyen los tamaños de las características de los chips y aumenta gradualmente la energía del plasma a base de halógenos, la resistencia al grabado por plasma de las cámaras de grabado y los componentes internos se vuelve cada vez más importante. En comparación con los materiales orgánicos y metálicos, los materiales cerámicos generalmente tienen una mejor resistencia a la corrosión física y química y pueden operar a temperaturas más altas. Por lo tanto, en la industria de semiconductores, varios materiales cerámicos se han convertido en el material de elección para la fabricación de componentes centrales en equipos para la producción de obleas de silicio monocristalino de semiconductores y los pasos de procesamiento del front-end.

(Fuente de imagen: Kyocera, Japón)

(Anillo de carburo de silicio fabricado por Maruwa, Japón)

(Plato de sujeción electrostático, fuente de imagen: Haituo Innovation)

Otro ejemplo es la capilar de unión cerámica, una herramienta esencial en el proceso de unión de hilos. El componente principal de las capilares de unión cerámica de algunos fabricantes es la alúmina reforzada con zirconia. Su microestructura es uniforme y densa, con una densidad aumentada a 4,3 g/cm³. El contenido de zirconia tetragonal y la microestructura uniforme y densa otorgan a las capilares de unión cerámica dopadas con zirconia propiedades mecánicas excepcionalmente buenas, reduciendo el desgaste de la punta y la frecuencia de reemplazo durante el proceso de unión de hilos.

(Capilar de unión cerámica, fuente: Sanhuan Group)

Un dispositivo semiconductor puede parecer hecho de metal y plástico, pero en realidad contiene muchos componentes cerámicos de precisión con tecnología avanzada. En resumen, las cerámicas de precisión se utilizan en equipos semiconductores de forma mucho más extensa de lo que podríamos imaginar.

Debido a sus excelentes propiedades, las cerámicas de precisión se utilizan ampliamente en defensa nacional, ingeniería química, metalurgia, electrónica, maquinaria, aviación, aeroespacial y biomedicina, entre otros campos. Se han convertido en materiales clave para el desarrollo en estos sectores y han atraído una atención significativa de los países industrialmente desarrollados. Su desarrollo influye enormemente en el progreso y avance de otras industrias.

Actualmente, existe una clara tendencia de rápido progreso tecnológico, expansión de campos de aplicación y crecimiento constante del mercado en la industria global de la cerámica de precisión. Debido a las altas barreras técnicas, la industria de la cerámica de precisión ha estado dominada durante mucho tiempo por Japón, Estados Unidos y algunas empresas europeas con tecnologías únicas. Entre ellas, Japón es el mayor productor de cerámica de precisión, con una amplia gama de productos, alta producción, amplios campos de aplicación y un rendimiento general superior, ocupando una posición dominante en el mercado de la cerámica, especialmente en el mercado de la cerámica electrónica. Las cerámicas estructurales de alta temperatura son un foco clave del desarrollo de la cerámica de precisión en Estados Unidos. Además, los países de la UE, en particular Alemania y Francia, han llevado a cabo investigaciones centradas en el campo de las cerámicas estructurales, centrándose principalmente en equipos de generación de energía, nuevos materiales energéticos y componentes cerámicos para motores.

China ha llevado a cabo investigación y desarrollo en casi todos los materiales cerámicos de precisión industrial. A través de proyectos de I+D como el "Sexto Plan Quinquenal", "Séptimo Plan Quinquenal", "Octavo Plan Quinquenal", "Programa 863", "Programa 973", "Programa de Apoyo a la Ciencia y la Tecnología" y "Proyectos Nacionales Importantes de Ciencia y Tecnología", las capacidades de investigación y desarrollo de China para materiales cerámicos de precisión han mejorado significativamente.

Los principales métodos para preparar polvos cerámicos en China incluyen la reacción en estado sólido, la reacción en fase líquida y la reacción en fase gaseosa. Con el desarrollo de la nanotecnología, los polvos producidos por reacciones en fase gaseosa presentan características como una gran área superficial, alta esfericidad y una distribución de tamaño de partícula estrecha, lo que proporciona una base fundamental para la preparación de cerámicas de alto rendimiento.

Las principales tecnologías de conformado utilizadas en la industria de la cerámica de precisión de China incluyen el prensado isostático en frío (un tipo de prensado en seco), el moldeo por inyección (un tipo de conformado de plástico), el colado en cinta (un tipo de conformado de suspensión) y el gel-casting.

La industria de cerámica de precisión de China utiliza principalmente tecnologías de sinterización por prensado en caliente (HP) y sinterización por presión de gas (GPS). China ha roto los bloqueos tecnológicos extranjeros en cerámicas de nitruro de silicio sinterizadas por presión de gas de gran tamaño y ha logrado la localización tecnológica.

Las tecnologías de mecanizado como el electroerosionado (EDM), el mecanizado ultrasónico, el mecanizado por láser y el mecanizado químico se aplican gradualmente al procesamiento de cerámica.

En comparación con la industria de la cerámica de precisión en el extranjero, la mayoría de los productos de cerámica de precisión fabricados en China tienen un bajo valor añadido. Muchos componentes cerámicos con alto contenido técnico en productos electrónicos finales todavía necesitan ser importados en grandes cantidades. Cuestiones como la purificación de materias primas, componentes de alta densidad, tamaños grandes, formas complejas y objetivos cerámicos necesitan ser abordadas urgentemente. Los indicadores de rendimiento de algunos materiales nacionales aún no han alcanzado el nivel de materiales extranjeros similares, la precisión del equipo es deficiente y los equipos de alta gama dependen de importaciones. La integración de la industria, la academia, la investigación y la aplicación no es lo suficientemente estrecha, y los logros de laboratorio reciben una atención inadecuada, lo que lleva a una grave desconexión con las aplicaciones prácticas.

Actualmente, la tecnología y los procesos de fabricación de China para polvos cerámicos de alta pureza, ultrafinos y de alto rendimiento todavía están significativamente rezagados en comparación con países como Japón y Estados Unidos, y los materiales en polvo de alta gama continúan siendo importados principalmente. Además, existe una brecha considerable en la tecnología de dispersión eficiente de polvos. La introducción de equipos de alta gama ha mejorado nuestro nivel de equipamiento tecnológico hasta cierto punto, pero implica una inversión significativa y presión financiera para las empresas. Con el desarrollo de equipos de preparación de alta gama de fabricación nacional, la demanda de materiales y componentes cerámicos que cumplan con requisitos específicos de rendimiento de materiales está aumentando. Sin embargo, debido a las limitaciones en el nivel de fabricación de materiales cerámicos de alta gama de China, los materiales importados siguen siendo en gran medida necesarios. En general, la transición de China de un país importante a un país fuerte en cerámicas avanzadas se enfrenta principalmente a los siguientes problemas:

China depende en gran medida de las importaciones de estas dos importantes materias primas de polvo cerámico avanzado, principalmente de empresas japonesas como UBE y Tokuyama Soda. Estos materiales no solo son caros, sino que también tienen una fiabilidad de suministro incierta. Los fabricantes nacionales tienen brechas considerables en el rendimiento del polvo, la estabilidad de la producción por lotes y la consistencia. Esto dificulta la industrialización de muchos productos cerámicos de alto valor añadido, como las bolas de rodamiento cerámicas de alta gama y los sustratos cerámicos de alta conductividad térmica y alta resistencia.

Con el rápido desarrollo de los vehículos de nueva energía, el tren de alta velocidad, la energía eólica y las estaciones base 5G, existe una enorme demanda de sustratos cerámicos de nitruro de silicio de próxima generación de alta conductividad térmica y alta resistencia utilizados en IGBT (dispositivos de alta potencia para estas nuevas industrias). La demanda anual solo del Grupo CRRC alcanza los 5 millones de unidades. Empresas como Kyocera (Japón) y Rogers Corporation (EE. UU.) ya pueden producir en masa y suministrar sustratos cerámicos de nitruro de silicio grabados y revestidos de cobre. China comenzó más tarde en este campo, pero en los últimos años, las instituciones de investigación universitarias y algunas empresas han acelerado la I+D, logrando avances significativos, con una conductividad térmica superior a 90 W/m·K, una resistencia a la flexión superior a 650 MPa y una tenacidad a la fractura superior a 6,5 MPa·m¹/². Sin embargo, todavía existe una brecha antes de la industrialización.

Sustrato cerámico de nitruro de silicio de alta conductividad térmica y alta resistencia

Los sustratos recubiertos de cobre con alta conductividad térmica basados en nitruro de aluminio o nitruro de silicio para IGBTs siguen siendo principalmente importados, especialmente para módulos de control de dispositivos de alta potencia en trenes de alta velocidad. La tecnología nacional de recubrimiento de cobre de sustratos aún no ha cumplido completamente los estrictos requisitos para las placas recubiertas de cobre, por ejemplo, en términos de resistencia al ciclo térmico. Actualmente, la comunidad internacional ha adoptado la tecnología avanzada de unión de metales activos (AMB) para el recubrimiento de cobre, que proporciona una mayor resistencia de unión y una mejor resistencia al ciclo térmico en comparación con la unión directa de cobre (DBC).

Para muchos productos cerámicos de alúmina de alta gama, como biocerámicas a base de alúmina, sustratos cerámicos, tubos de vacío, cerámicas textiles resistentes al desgaste y cerámicas electrónicas de vacío, el polvo de alúmina todavía depende de importaciones de Japón, Alemania y Estados Unidos. Esto es particularmente cierto para la producción de componentes cerámicos de alúmina con un contenido de alúmina del 99,5%, 99,7%, 99,8% y 99,9%, caracterizados por granos finos, estructura uniforme, buenas propiedades electromecánicas y resistencia al desgaste. Los fabricantes nacionales tienen deficiencias en el control del contenido de impurezas en el polvo de alúmina, la actividad de sinterización y, especialmente, en la uniformidad de la microestructura y las propiedades del material después de la sinterización.

Los sensores de presión capacitivos planares de cerámica de alúmina se utilizan en cantidades masivas en diversos automóviles, representando un mercado de casi 100 mil millones de RMB. Sin embargo, estas placas de alúmina se importan principalmente en la actualidad. Las placas de alúmina nacionales presentan deficiencias en el módulo elástico, el número de ciclos de deformación elástica, la vida útil y la fiabilidad, y aún no han entrado en aplicaciones comerciales prácticas.

Los sensores de oxígeno de zirconia plana desempeñan un papel importante en la reducción de las emisiones nocivas de los gases de escape de los automóviles y en la mejora de la economía de combustible. Actualmente, los sensores de oxígeno automotrices más comunes son los sensores de zirconia de tipo celda de concentración. En los últimos años, el número de automóviles en China ha ido en aumento, y cada automóvil necesita al menos dos sensores de oxígeno. El mercado de sensores de oxígeno está creciendo a una tasa anual del 30%, y los sensores de oxígeno son piezas consumibles que generalmente necesitan ser reemplazadas en cada intervalo de servicio importante (o incluso anualmente). Actualmente, casi todos los sensores de oxígeno automotrices en China son completamente importados o ensamblados a partir de componentes importados. El enorme mercado de sensores de oxígeno automotrices, las estrictas regulaciones de emisiones automotrices y la falta de tecnología relevante en China hacen que sea particularmente urgente e importante investigar y desarrollar productos de sensores de oxígeno con buen rendimiento, alta fiabilidad y nuestra propia propiedad intelectual. Los principales fabricantes de sensores de oxígeno automotrices incluyen Bosch, Delphi, Denso, NTK y Kefico, junto con sus empresas conjuntas y subsidiarias en varias regiones. Bosch es el mayor fabricante de sensores de oxígeno. Además, algunas empresas extranjeras de cerámica, basándose en sus sólidas capacidades de desarrollo de cerámica, producen elementos sensores de oxígeno y calentadores cerámicos, como Kyocera.

La demanda del mercado de prótesis de cadera biocerámicas es enorme, con un promedio de una cirugía de reemplazo de cadera de cerámica cada dos minutos en todo el mundo. Actualmente, estas son producidas principalmente por empresas como CeramTec (Alemania) y Kyocera (Japón), y China necesita importar grandes cantidades cada año. Los requisitos de rendimiento del material y fiabilidad para las prótesis de cadera de cerámica son extremadamente altos, con una vida útil de al menos 20 años. El material producido por CeramTec, una cerámica compuesta a base de Al₂O₃ reforzada y tenazizada sinérgicamente por granos de plaquetas de ZrO₂ y SrAl₁₂₋ₓCrₓO₁₉, ha alcanzado una resistencia a la flexión y una tenacidad a la fractura de 1380 MPa y 6.5 MPa·m¹/², respectivamente. China no tiene un producto equivalente en esta área.

Los rodamientos cerámicos utilizados en equipos de alta gama como motores aeroespaciales, generadores de energía eólica y máquinas herramienta CNC requieren no solo altas propiedades mecánicas y térmicas, sino también una excelente resistencia al desgaste, fiabilidad y larga vida útil. Todavía existe una brecha significativa entre las bolas de rodamiento de cerámica de nitruro de silicio de fabricación nacional y las fabricadas por Toshiba Ceramics (Japón). En comparación con empresas de rodamientos de renombre internacional como SKF (Suecia), FAG (Alemania) y KOYO (Japón), los rodamientos de China todavía se encuentran en el rango medio-bajo de la cadena industrial. Los productos de alta gama utilizados en energía eólica y máquinas herramienta CNC todavía dependen de las importaciones.

Para materiales cerámicos transparentes y transmisores de infrarrojos utilizados en aplicaciones de defensa y militares, como Y₂O₃, MgO, AlON, MgAl₂O₄ y cerámicas transparentes de Nd:YAG (láser). Actualmente, nuestra tecnología se limita a la producción de tamaños relativamente pequeños. Nos enfrentamos a desafíos en la producción de materiales cerámicos transparentes y transmisores de ondas de gran tamaño (hasta 0,5 metros a nivel internacional), con lagunas tanto en la tecnología de procesamiento como en el equipamiento.

Las líneas de producción de obleas de semiconductores requieren numerosas piezas de repuesto cerámicas, como placas cerámicas, brazos cerámicos, anillos cerámicos y retenedores. Estos involucran varios materiales cerámicos estructurales, incluyendo alúmina, nitruro de aluminio y carburo de silicio. Estas piezas requieren alta pureza de material, densidad uniforme, precisión de procesamiento extremadamente alta y acabado superficial. Solo unas pocas empresas nacionales proporcionan algunos de estos productos, y las piezas de repuesto de nitruro de aluminio y carburo de silicio de alta gama todavía dependen de las importaciones.

Se recomienda que las autoridades estatales pertinentes aumenten aún más el apoyo a la I+D de componentes cerámicos de precisión y al desarrollo de la industria en la implementación del "Esquema Nacional de Promoción del Desarrollo de la Industria de Circuitos Integrados". Al integrar sistemas de investigación, asociaciones industriales y alianzas, se debe dar prioridad a la concentración de recursos a nivel nacional para seleccionar y apoyar a un grupo de empresas potenciales con competitividad internacional, impulsando así el desarrollo de toda la industria.

Se recomienda que las autoridades estatales pertinentes animen a las grandes empresas estatales de los sectores de equipos, materiales, productos químicos y otros a participar en el desarrollo de la industria de la cerámica de precisión. Establecer objetivos de orientación para la localización de equipos y componentes, crear un mecanismo de orientación para la localización de componentes/materiales clave que combine la orientación fiscal con el seguro tecnológico, y animar a las empresas nacionales de equipos semiconductores a adquirir componentes de cerámica de precisión nacionales a través del apoyo de la financiación gubernamental y productos de seguros orientados al mercado. Animar a las empresas y universidades a establecer conjuntamente instituciones de I+D tecnológica y de pruebas/certificación, acelerando el establecimiento de un sistema de servicios tecnológicos para la localización de componentes y materiales clave como la cerámica de precisión.

Se recomienda que las autoridades estatales pertinentes establezcan centros de asistencia de propiedad intelectual en los clústeres de la industria de la cerámica de precisión. Guiar y asistir a las empresas en la gestión de disputas de propiedad intelectual acortando el ciclo de revisión y autorización de PI y aumentando las sanciones por infracción, protegiendo así el impulso a la innovación en I+D. Atraer empresas clave de cerámica de precisión para que se establezcan en zonas francas y aprovechar las políticas fiscales diferenciadas en zonas específicas para aliviar las presiones actuales de costos de I+D y desarrollo en la industria de semiconductores. Simultáneamente, fortalecer la coordinación e integración de políticas para el cultivo de talento técnico especializado para empresas de cerámica de precisión, apoyando a las autoridades locales en la prestación de servicios de apoyo a los miembros del equipo central en áreas como el registro de hogar, la educación infantil y la atención médica, especialmente el apoyo de servicios para equipos de talento reclutados de empresas extranjeras líderes.

Se recomienda mejorar aún más las funciones de negociación de las Bolsas de Valores de Shanghái y Shenzhen, y aprovechar el establecimiento de la Bolsa de Valores de Beijing como una nueva oportunidad para crear sectores de nuevos materiales dedicados a la cerámica de precisión y otros materiales avanzados dentro de las tres bolsas de nivel nacional, apoyando precisamente a las pequeñas y medianas empresas con competitividad central en nuevos materiales. Fomentar que los fondos a largo plazo, como los seguros y los fideicomisos, aumenten las inversiones en acciones de pequeñas y medianas empresas destacadas no cotizadas, estableciendo canales razonables para la entrada y salida de capital, despejando obstáculos y acelerando el crecimiento de las empresas de "tecnología central" en el sector de nuevos materiales.

Además, cabe destacar que el Quinto Foro Avanzado de Cerámicas en Aplicaciones de Semiconductores y Desarrollo Industrial se celebrará el 11 de junio de 2026 en el Pullman Suzhou Zhonghui Hotel. El foro invitará a académicos, expertos, eruditos y ejecutivos de reconocidas empresas nacionales e internacionales en el campo de los materiales cerámicos para semiconductores a asistir y pronunciar discursos de apertura. El foro se centrará en materiales cerámicos avanzados utilizados en equipos semiconductores clave (como máquinas de litografía, máquinas de grabado por plasma, implantadores de iones, sistemas de deposición de películas delgadas CVD y PVD, hornos de difusión para tratamiento térmico, etc.), incluyendo alúmina de alta pureza, nitruro de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de itrio, cordierita y CVD-SiC. También cubrirá componentes cerámicos clave como calentadores cerámicos, platos electrostáticos, platos de vacío, anillos de enfoque, guías de riel cerámicas de baja y casi cero expansión, y etapas de piezas de trabajo para máquinas de litografía. El foro también abordará tecnologías para la formación, sinterización, mecanizado de precisión y limpieza de cerámicas de grado semiconductor, así como materiales de obleas de semiconductores de carburo de silicio de tercera generación. El foro facilitará intercambios interactivos sobre nuevas tecnologías, nuevos procesos, nuevos materiales, nuevas aplicaciones, nuevos mercados y el desarrollo de la cadena industrial para componentes cerámicos de precisión de alto rendimiento de grado semiconductor, brindando valiosas oportunidades de comunicación e intercambio entre empresas de la cadena de suministro y de la cadena de demanda en la industria de cerámicas para semiconductores. Se discutirán las tendencias de desarrollo y las nuevas oportunidades para materiales cerámicos de precisión y componentes clave en la industria de semiconductores de China.

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