Прецизионные керамические компоненты в основном относятся к высокоточным керамическим деталям сложной конструкции, используемым в полупроводниковом оборудовании. Эти прецизионные керамические компоненты являются ключевыми частями полупроводникового оборудования, и их исследования, разработки и производство напрямую влияют на развитие полупроводниковой промышленности. В последние годы, благодаря корректировке национальной политики, полупроводниковая промышленность стремительно развивается, и ее масштабы значительно выросли. Поскольку оборудование для производства полупроводников продолжает развиваться в сторону большей точности и сложности, технические требования к высокоточным керамическим ключевым компонентам также возрастают. Благодаря преимуществам керамики — высокой твердости, высокому модулю упругости, высокой износостойкости, высокой изоляции, коррозионной стойкости и низкому коэффициенту теплового расширения — она может использоваться в качестве компонентов в полировальных машинах для пластин, оборудовании для эпитаксиальной/окислительной/диффузионной термообработки, литографических машинах, осадительном оборудовании, оборудовании для травления полупроводников и ионных имплантаторах. Полупроводниковая керамика включает оксид алюминия, нитрид кремния, нитрид алюминия и карбид кремния. В полупроводниковом оборудовании прецизионная керамика составляет примерно 16% от общей стоимости.

(Источник изображения: pexels)

Понятно, что в полупроводниковом оборудовании используется большое количество прецизионных деталей из оксидной керамики. Например, покрытия из высокочистого Al₂O₃ или керамика Al₂O₃ используются в качестве защитных материалов для травяльных камер и внутренних компонентов. Помимо камер, в плазменном оборудовании также требуются алюминиевые керамические детали, такие как газовые сопла, пластины распределения газа и удерживающие кольца для фиксации пластин. В процессах полировки пластин алюминиевая керамика широко используется в полировальных пластинах, платформах для кондиционирования полировальных подушек и вакуумных патронах.

(Полировальная пластина из оксида алюминия, источник: Kyocera, Япония)

Кроме того, как мы упоминали выше, циркониевая керамика является основным материалом для изготовления капилляров для пайки, которые являются важными инструментами в процессах проволочной пайки.

Материалы из карбида кремния обладают чрезвычайно высоким модулем упругости, теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения. Они не склонны к деформации под действием изгибающих напряжений или термических напряжений и обладают превосходной полируемостью, что позволяет обрабатывать их до превосходных зеркальных поверхностей. Поэтому использование карбида кремния в качестве материала для прецизионных конструкционных компонентов в ключевом полупроводниковом оборудовании, таком как литографические машины, имеет значительные преимущества.

(Сборочный узел прецизионного перемещения из карбида кремния)

Как ковалентное соединение, нитрид кремния обладает низким коэффициентом теплового расширения, высокой теплопроводностью, отличной стойкостью к химической коррозии и выдающейся стойкостью к термическому шоку. Горячепрессованный спеченный Si₃N₄ имеет чрезвычайно высокую твердость и отличную термостойкость. Его прочность остается неизменной при высоких температурах до 1200°C, и он не плавится при нагревании, разлагаясь только при 1900°C. Поэтому керамика на основе нитрида кремния считается "керамическим материалом с лучшими общими характеристиками" и используется для изготовления платформ, направляющих, подшипников и других компонентов в оборудовании для производства полупроводников.

(Источник изображения: Haituo Innovation)

В настоящее время в качестве основного материала для электростатических патронов в основном используется керамика из оксида алюминия. Однако теплопроводность и связанные с ней механические свойства оксида алюминия уступают керамике из нитрида алюминия. Следовательно, использование керамики из нитрида алюминия вместо керамики из оксида алюминия в качестве производственного материала для электростатических патронов является будущей тенденцией.

В высокопроизводительных литографических машинах для достижения высокой точности обработки широко используются керамические компоненты с хорошими функциональными композитными свойствами, структурной стабильностью, термической стабильностью и точностью размеров. К ним относятся E-патроны, вакуумные патроны, блоки, водоохлаждаемые пластины для магнитных стальных рам, отражатели и направляющие. Эти ключевые компоненты обычно изготавливаются из керамических материалов.

(Водоохлаждаемая рама для сканирующего двигателя)

(Прямоугольное зеркало для литографической машины)

В оборудовании для травления керамические компоненты в основном включают смотровые окна, пластины распределения газа, сопла, изоляционные кольца, крышки, фокусирующие кольца и электростатические патроны. По мере уменьшения размеров элементов чипов и постепенного увеличения энергии плазмы на основе галогенов, стойкость к плазменному травлению травящих камер и внутренних компонентов становится все более важной. По сравнению с органическими и металлическими материалами, керамические материалы, как правило, обладают лучшей физической и химической коррозионной стойкостью и могут работать при более высоких температурах. Поэтому в полупроводниковой промышленности различные керамические материалы стали предпочтительным материалом для изготовления основных компонентов оборудования для производства монокристаллических кремниевых пластин и этапов фронтальной обработки полупроводников.

(Источник изображения: Kyocera, Япония)

(Карбид кремниевое кольцо производства Maruwa, Япония)

(Электростатический патрон, источник изображения: Haituo Innovation)

Другим примером является керамический капилляр для пайки, незаменимый инструмент в процессе пайки проволокой. Основным компонентом керамических капилляров для пайки некоторых производителей является оксид алюминия, армированный диоксидом циркония. Их микроструктура однородна и плотна, с увеличенной плотностью до 4,3 г/см³. Содержание тетрагонального диоксида циркония и однородная, плотная микроструктура придают керамическим капиллярам для пайки, легированным диоксидом циркония, исключительно хорошие механические свойства, снижая износ наконечника и частоту его замены в процессе пайки проволокой.

(Керамический капилляр для сварки, источник: Sanhuan Group)

Полупроводниковое устройство может выглядеть так, будто оно сделано из металла и пластика, но на самом деле оно содержит множество прецизионных керамических компонентов, изготовленных по передовым технологиям. Таким образом, прецизионная керамика используется в оборудовании для производства полупроводников гораздо шире, чем мы можем себе представить.

Благодаря своим превосходным свойствам прецизионная керамика широко используется в таких областях, как национальная оборона, химическая инженерия, металлургия, электроника, машиностроение, авиация, космонавтика и биомедицина. Они стали ключевыми материалами для развития в этих секторах и привлекли значительное внимание со стороны промышленно развитых стран. Их развитие оказывает большое влияние на прогресс и совершенствование других отраслей.

В настоящее время в мировой индустрии прецизионной керамики наблюдается явная тенденция быстрого технологического прогресса, расширения областей применения и устойчивого роста рынка. Из-за высоких технических барьеров в индустрии прецизионной керамики долгое время доминировали Япония, США и некоторые европейские компании, обладающие уникальными технологиями. Среди них Япония является крупнейшим производителем прецизионной керамики, обладая полным ассортиментом продукции, высоким объемом производства, широкими областями применения и превосходными общими характеристиками, занимая доминирующее положение на рынке керамики, особенно на рынке электронной керамики. Высокотемпературная конструкционная керамика является ключевым направлением развития прецизионной керамики в США. Кроме того, страны ЕС, особенно Германия и Франция, провели целенаправленные исследования в области конструкционной керамики, в основном сосредоточившись на оборудовании для производства электроэнергии, новых энергетических материалах и керамических компонентах для двигателей.

Китай провел исследования и разработки практически по всем промышленным прецизионным керамическим материалам. Благодаря таким научно-исследовательским проектам, как «Шестой пятилетний план», «Седьмой пятилетний план», «Восьмой пятилетний план», «Программа 863», «Программа 973», «Программа поддержки науки и технологий» и «Крупные национальные научно-технические проекты», возможности Китая в области исследований и разработок прецизионных керамических материалов значительно улучшились.

Основные методы получения керамических порошков в Китае включают твердофазную реакцию, жидкофазную реакцию и газофазную реакцию. С развитием нанотехнологий порошки, полученные газофазными реакциями, обладают такими характеристиками, как большая площадь поверхности, высокая сферичность и узкое распределение частиц по размерам, что обеспечивает основу для получения высокоэффективной керамики.

Основные технологии формования, используемые в китайской индустрии прецизионной керамики, включают холодное изостатическое прессование (тип сухого прессования), литье под давлением (тип пластического формования), ленточное литье (тип суспензионного формования) и гель-кастинг.

В индустрии прецизионной керамики Китая в основном используются технологии горячего прессования (HP) и газостатического спекания (GPS). Китай преодолел иностранные технологические блокады в области крупногабаритной керамики из нитрида кремния, спеченной газостатическим методом, и добился технологической локализации.

Технологии обработки, такие как электроэрозионная обработка (EDM), ультразвуковая обработка, лазерная обработка и химическая обработка, постепенно применяются при обработке керамики.

По сравнению с зарубежной индустрией прецизионной керамики, большинство производимых в Китае изделий из прецизионной керамики имеют низкую добавленную стоимость. Многие керамические компоненты с высоким техническим содержанием в электронных конечных продуктах по-прежнему импортируются в больших количествах. Срочного решения требуют такие проблемы, как очистка сырья, высокоплотные компоненты, большие размеры, сложные формы и керамические мишени. Показатели эффективности некоторых отечественных материалов еще не достигли уровня аналогичных зарубежных материалов, точность оборудования низкая, а высокотехнологичное оборудование импортируется. Интеграция промышленности, академических кругов, исследований и прикладных разработок недостаточно тесная, а лабораторные достижения получают недостаточное внимание, что приводит к серьезному разрыву с практическими приложениями.

В настоящее время китайские технологии и процессы производства высокочистых, ультратонких, высокопроизводительных керамических порошков все еще значительно отстают от таких стран, как Япония и США, при этом высококачественные порошковые материалы по-прежнему в основном импортируются. Кроме того, существует значительный разрыв в технологиях эффективного диспергирования порошков. Внедрение высококачественного оборудования в некоторой степени улучшило наш уровень технологического оснащения, но это связано со значительными инвестициями и финансовым давлением для предприятий. С развитием отечественного высококачественного оборудования для подготовки материалов растет спрос на керамические материалы и компоненты, отвечающие специфическим требованиям к эксплуатационным характеристикам. Однако из-за ограничений в уровне производства высококачественных керамических материалов в Китае по-прежнему в значительной степени необходимы импортные материалы. В целом, переход Китая от крупного к сильному государству в области передовой керамики в основном сталкивается со следующими проблемами:

Китай в значительной степени зависит от импорта этих двух важных видов сырья для производства передовой керамики, в основном от японских компаний, таких как UBE и Tokuyama Soda. Эти материалы не только дороги, но и имеют неопределенную надежность поставок. Отечественные производители имеют значительные пробелы в характеристиках порошка, стабильности серийного производства и однородности. Это препятствует индустриализации многих керамических изделий с высокой добавленной стоимостью, таких как высококачественные керамические подшипниковые шарики и керамические подложки с высокой теплопроводностью и высокой прочностью.

С бурным развитием новых энергетических транспортных средств, высокоскоростных железных дорог, ветроэнергетики и базовых станций 5G существует огромный спрос на керамические подложки из нитрида кремния следующего поколения с высокой теплопроводностью и высокой прочностью, используемые в IGBT (мощных устройствах для этих новых отраслей). Только ежегодный спрос от CRRC Group достигает 5 миллионов единиц. Такие компании, как Kyocera (Япония) и Rogers Corporation (США), уже могут массово производить и поставлять травленые керамические подложки из нитрида кремния с медным покрытием. Китай начал позже в этой области, но в последние годы университетские научно-исследовательские учреждения и некоторые предприятия ускорили исследования и разработки, добившись значительного прогресса: теплопроводность превысила 90 Вт/(м·К), прочность на изгиб превысила 650 МПа, а вязкость разрушения превысила 6,5 МПа·м¹/². Однако до индустриализации еще предстоит пройти определенный путь.

Высокотеплопроводная, высокопрочная подложка из нитрида кремния

Медные подложки с высокой теплопроводностью на основе нитрида алюминия или нитрида кремния для IGBT по-прежнему в основном импортируются, особенно для модулей управления мощными устройствами в высокоскоростных поездах. Отечественная технология меднения подложек еще не полностью соответствует строгим требованиям к медным платам, например, по стойкости к термическим циклам. В настоящее время мировое сообщество использует передовую технологию активной металлической пайки (AMB) для меднения, которая обеспечивает более высокую прочность соединения и лучшую стойкость к термическим циклам по сравнению с прямой медной пайкой (DBC).

Для многих высококачественных изделий из оксида алюминия, таких как биокерамика на основе оксида алюминия, керамические подложки, вакуумные трубки, износостойкая текстильная керамика и электронная вакуумная керамика, порошок оксида алюминия по-прежнему импортируется из Японии, Германии и США. Это особенно актуально для производства компонентов из оксида алюминия с содержанием 99,5%, 99,7%, 99,8% и 99,9%, характеризующихся мелкими зернами, однородной структурой, хорошими электромеханическими свойствами и износостойкостью. Отечественные производители имеют пробелы в контроле содержания примесей в порошке оксида алюминия, спекающей активности и, особенно, в однородности микроструктуры и свойствах материала после спекания.

Планарные емкостные датчики давления на основе оксида алюминия используются в огромных количествах в различных автомобилях, представляя собой рынок стоимостью почти 100 миллиардов юаней. Однако эти алюминиевые пластины в настоящее время в основном импортируются. Отечественные алюминиевые пластины имеют пробелы в модуле упругости, количестве циклов упругой деформации, сроке службы и надежности, и еще не поступили в коммерческое практическое применение.

Планарные циркониевые кислородные датчики играют значительную роль в снижении вредных выбросов автомобильных выхлопных газов и повышении топливной экономичности. В настоящее время основными автомобильными кислородными датчиками являются циркониевые датчики концентрационного типа. В последние годы количество автомобилей в Китае неуклонно растет, и каждому автомобилю требуется как минимум два кислородных датчика. Рынок кислородных датчиков растет ежегодно на 30%, а кислородные датчики являются расходными материалами, которые обычно требуют замены при каждом крупном техническом обслуживании (или даже ежегодно). В настоящее время почти все автомобильные кислородные датчики в Китае либо полностью импортируются, либо собираются из импортных компонентов. Огромный рынок автомобильных кислородных датчиков, строгие нормы выбросов для автомобилей и отсутствие соответствующих технологий в Китае делают особенно актуальным и важным исследование и разработку продуктов кислородных датчиков с хорошими характеристиками, высокой надежностью и собственной интеллектуальной собственностью. Крупнейшими производителями автомобильных кислородных датчиков являются Bosch, Delphi, Denso, NTK и Kefico, а также их совместные предприятия и дочерние компании в различных регионах. Bosch является крупнейшим производителем кислородных датчиков. Кроме того, некоторые зарубежные керамические компании, опираясь на свои сильные возможности в области разработки керамики, производят чувствительные элементы кислородных датчиков и керамические нагреватели, например, Kyocera.

Рыночный спрос на биокерамические тазобедренные суставы огромен: в среднем одна операция по замене тазобедренного сустава на керамический проводится каждые две минуты по всему миру. В настоящее время их в основном производят такие компании, как CeramTec (Германия) и Kyocera (Япония), и Китай ежегодно импортирует их в больших количествах. Требования к эксплуатационным характеристикам и надежности керамических тазобедренных суставов чрезвычайно высоки, срок службы составляет не менее 20 лет. Материал, произведенный CeramTec, представляет собой композитную керамику на основе Al₂O₃, синергетически армированную и упрочненную пластинчатыми зернами ZrO₂ и SrAl₁₂₋ₓCrₓO₁₉, которая достигла прочности на изгиб и трещиностойкости 1380 МПа и 6,5 МПа·м¹/² соответственно. Китай не имеет эквивалентного продукта в этой области.

Керамические подшипники, используемые в высокотехнологичном оборудовании, таком как авиационные двигатели, ветрогенераторы и станки с ЧПУ, требуют не только высоких механических и термических свойств, но и отличной износостойкости, надежности и долговечности. Между отечественными шариками для подшипников из нитрида кремния и теми, что производятся Toshiba Ceramics (Япония), все еще существует значительный разрыв. По сравнению с всемирно известными подшипниковыми компаниями, такими как SKF (Швеция), FAG (Германия) и KOYO (Япония), китайские подшипники по-прежнему находятся в середине и нижней части промышленной цепочки. Высокотехнологичная продукция, используемая в ветроэнергетике и станках с ЧПУ, по-прежнему импортируется.

Для прозрачных и инфракрасно-пропускающих керамических материалов, используемых в оборонной и военной промышленности, таких как Y₂O₃, MgO, AlON, MgAl₂O₄ и Nd:YAG (лазерная) прозрачная керамика. В настоящее время наша технология ограничена производством относительно небольших размеров. Мы сталкиваемся с трудностями в производстве крупногабаритных (до 0,5 метра в мире) прозрачных и волнопропускающих керамических материалов, с пробелами как в технологии обработки, так и в оборудовании.

Производственные линии по производству полупроводниковых пластин требуют многочисленных керамических запасных частей, таких как керамические пластины, керамические рычаги, керамические кольца и фиксаторы. К ним относятся различные конструкционные керамические материалы, включая оксид алюминия, нитрид алюминия и карбид кремния. Эти детали требуют высокой чистоты материала, однородной плотности, чрезвычайно высокой точности обработки и качества поверхности. Лишь немногие отечественные предприятия поставляют некоторые из этих продуктов, а высококачественные запасные части из нитрида алюминия и карбида кремния по-прежнему импортируются.

Рекомендуется, чтобы соответствующие государственные органы в рамках реализации «Национального плана развития промышленности интегральных схем» оказывали более активную поддержку исследованиям и разработкам прецизионных керамических компонентов и развитию отрасли. Путем интеграции исследовательских систем, отраслевых ассоциаций и альянсов следует уделять приоритетное внимание концентрации ресурсов по всей стране для отбора и поддержки группы потенциальных предприятий, обладающих международной конкурентоспособностью, тем самым стимулируя развитие всей отрасли.

Рекомендуется, чтобы соответствующие государственные органы поощряли крупные государственные предприятия в таких отраслях, как оборудование, материалы, химикаты и другие, к участию в развитии индустрии прецизионной керамики. Установить целевые показатели по локализации оборудования и комплектующих, создать механизм руководства по локализации ключевых комплектующих/материалов, сочетающий фискальное стимулирование с технологическим страхованием, и поощрять отечественные компании по производству полупроводникового оборудования к закупке отечественных прецизионных керамических комплектующих при поддержке государственного финансирования и рыночно-ориентированных страховых продуктов. Поощрять предприятия и университеты к совместному созданию научно-исследовательских и опытно-конструкторских учреждений, а также учреждений по тестированию/сертификации, ускоряя создание системы технологического обслуживания для локализации ключевых комплектующих и материалов, таких как прецизионная керамика.

Рекомендуется соответствующим государственным органам создавать центры поддержки интеллектуальной собственности в кластерах индустрии прецизионной керамики. Направлять и помогать предприятиям в разрешении споров по интеллектуальной собственности путем сокращения сроков рассмотрения и выдачи разрешений на интеллектуальную собственность и увеличения штрафов за нарушения, тем самым защищая импульс инноваций в области исследований и разработок. Привлекать ключевые предприятия прецизионной керамики для размещения в зонах таможенного контроля и использовать дифференцированную налоговую политику в конкретных зонах для снижения текущего давления на затраты на исследования и разработки в полупроводниковой промышленности. Одновременно укреплять координацию и интеграцию политики для подготовки специализированных технических кадров для предприятий прецизионной керамики, поддерживая местные органы власти в предоставлении услуг поддержки для основных членов команды в таких областях, как регистрация по месту жительства, образование детей и здравоохранение, особенно услуги поддержки для команд талантов, набранных из ведущих иностранных компаний.

Рекомендуется дальнейшее совершенствование торговых функций Шанхайской и Шэньчжэньской фондовых бирж, а также использование создания Пекинской фондовой биржи как новой возможности для создания секторов новых материалов, посвященных прецизионной керамике и другим передовым материалам, в рамках трех национальных бирж, точно поддерживая малые и средние предприятия с основной конкурентоспособностью в области новых материалов. Поощрять долгосрочные фонды, такие как страховые и трастовые, к увеличению инвестиций в акционерный капитал выдающихся нелистинговых малых и средних предприятий, создавая разумные каналы для притока и выхода капитала, устраняя препятствия и ускоряя рост предприятий "ключевых технологий" в секторе новых материалов.

Кроме того, стоит отметить, что 11 июня 2026 года в отеле Pullman Suzhou Zhonghui состоится Пятый форум по передовой керамике в полупроводниковых применениях и развитию отрасли. На форум будут приглашены академики, эксперты, ученые и руководители известных отечественных и зарубежных предприятий в области полупроводниковых керамических материалов для выступлений с ключевыми докладами. Форум будет посвящен передовым керамическим материалам, используемым в ключевом полупроводниковом оборудовании (таком как литографические машины, плазменные травящие машины, ионные имплантаторы, системы осаждения тонких пленок CVD и PVD, печи диффузионного термообработки и т. д.), включая высокочистый оксид алюминия, нитрид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния, оксид иттрия, кордиерит и CVD-SiC. Также будут рассмотрены ключевые керамические компоненты, такие как керамические нагреватели, электростатические патроны, вакуумные патроны, фокусирующие кольца, керамические направляющие с низким и почти нулевым коэффициентом расширения, а также платформы для заготовок в литографических машинах. На форуме будут обсуждаться технологии формования, спекания, прецизионной обработки и очистки керамики полупроводникового класса, а также материалы для полупроводниковых пластин из карбида кремния третьего поколения. Форум будет способствовать интерактивному обмену информацией о новых технологиях, новых процессах, новых материалах, новых применениях, новых рынках и развитии производственно-сбытовой цепочки для высокопроизводительных прецизионных керамических компонентов полупроводникового класса, предоставляя ценные возможности для общения и обмена между предприятиями верхнего и нижнего уровней в индустрии полупроводниковой керамики. Будут обсуждаться тенденции развития и новые возможности для прецизионных керамических материалов и ключевых компонентов в полупроводниковой промышленности Китая.

Отказ от ответственности: Содержание этой статьи взято из "Material Circle". Оно предоставлено исключительно в информационных целях и не отражает взгляды этого аккаунта. Изображения не используются в коммерческих целях. В случае каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с редактором для удаления. Спасибо!