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细看我国集成电路发展状况(三)

www.91jinshu.com   2019-09-10  来源:芯师爷  编辑部
摘要 五、抛光材料和靶材发展情况1、抛光材料CMP抛光材料是集成电路制造中的关键耗材,主要包括抛光液、抛光垫和修整盘等,其中抛光垫与抛光液占80%以上。随着集成电路工艺技术节点尺寸的不断缩小,互联层数的不断增加和新材料新工艺的应用,CMP在芯片工艺制程中的使用次数和
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五、抛光材料和靶材发展情况

1、抛光材料

CMP抛光材料是集成电路制造中的关键耗材,主要包括抛光液、抛光垫和修整盘等,其中抛光垫与抛光液占80%以上。随着集成电路工艺技术节点尺寸的不断缩小,互联层数的不断增加和新材料新工艺的应用,CMP在芯片工艺制程中的使用次数和重要性不断增加(图9),所抛光的材料有多种金属(包括Co、Al、W、Cu、Ta等)和非金属(包括SiO2、Si3N4、衬底材料等),技术节点降低同时对CMP提出了更高的要求,在抛光缺陷、表面污染物的尺寸和数量、抛光性能的稳定性、抛光工艺可控性、抛光均一性、电性能和可靠性等方面提出了更为苛刻的要求。

 

抛光液是决定CMP工艺性能最终良率最为关键的材料,约占整个CMP材料市场的49%。抛光液主要由纳米级的研磨颗粒、不同化学剂和去离子水组成。针对具体工艺和被抛光材料的要求,不同种类的研磨颗粒(如二氧化硅、三氧化二、二氧化铈等)和多种化学试剂(如金属络合剂、表面抑制剂、氧化还原剂、分散剂以及其他助剂等)被使用在CMP抛光液的配方中。

 

根据其应用,抛光液可以使用在集成电路芯片制造前/后道的各个工序中,如FinFET栅极、浅沟道隔离、栓塞、互联等。另外,抛光液还应用在先进封装中的硅通孔工艺中,所需要的抛光液也因工艺和材料要求的不同而不同。集成电路用抛光液市场主要被美日欧企业垄断,主要企业有美国的 Cabot、Nalco、Rodel、DuPont、Grace,荷兰的Akzol Nobel,德国的Bayer和Wacker,日本的 Fujimi、Fujifilm、Nissan Chemical、Fuso等,占据全球90%以上的市场份额。

 

图9 不同技术节点CMP工艺处理的材料

 

国内从事CMP抛光液研发与生产的企业有安集微电子、上海新安纳电子、北京国瑞升科技等。其中安集微生产的铜/铜阻挡层抛光液、二氧化硅抛光液、TSV抛光液、硅抛光液、铜抛光后清洗液等产品已成功进入国内外8英寸和12英寸客户芯片生产线使用,铜/铜阻挡层抛光液产品已经进入国内外领先技术节点,产品涵盖130nm~28nm技术节点;上海新安纳电子级二氧化硅纳米磨料成功应用于集成电路抛光液,是目前国内唯一的供应商,研发出的硅片粗抛抛光液获得中国新材料首批次应用的支持,成功应用在8英寸和12英寸硅片抛光上。另外,上海新安纳在存储器抛光液等产品开发方面取得较好进展。

 

虽然我国在抛光液领域取得了点的突破,但是整体上我国抛光液的国产化率约为5%,主要为铜及其阻挡层抛光液、TSV抛光液和硅的粗抛液,其它的CMP工艺抛光液(硅片精抛液、化合物半导体抛光液,14nm以下FinFET工艺抛光液,、铷等新金属互联材料的抛光,STI抛光液等)及其抛光磨料还是依赖进口。

 

CPM工艺中的另一个重要工艺耗材为抛光垫,约占整个CMP材料市场的33%。抛光垫的主要功能是提供机械摩擦和承载抛光液,是影响CMP抛光工艺参数(如抛光速率、均匀度、平整度、缺陷率)的关键因素之一。抛光垫主要以聚亚氨脂为原材料,通过特殊的发泡和成型工艺制作而成。根据不同CMP工艺的需求,需要对抛光垫的材料配方和工艺进行调整,从而获得不同的抛光垫硬度、发泡尺寸、可伸缩性以及表面沟槽的图形和深度。

 

目前,国际上抛光垫市场由陶氏化学一家独大,占整个市场份额的80%,嘉柏微电子次之,约占10%的市场份额。CMP修整盘也是CMP工艺材料中的关键组成部分,其作用是将金刚石颗粒镶嵌在金属胎体上,在抛光过程中对抛光垫进行修正,以保证抛光工艺的稳定性和重复性。美国的3M、韩国的Saesol、我国台湾的中砂等公司都占有一定的CMP修整盘市场份额。

 

国内方面,近年来成长起来的成都时代立夫在CMP抛光垫产品开发方面取得较好进展,部分产品在8英寸和12英寸CMP工艺中正在进行应用评估;湖北鼎龙控股开发的铜抛光垫、氧化物抛光垫和钨抛光垫也开始认证;此外,宁波江丰电子和苏州观胜半导体也开始上马新型局抛光垫项目。深圳嵩洋微电子正在开发金刚石修整盘;宁波江丰电子的金刚石修整盘和保持环已进入评价验证阶段。就抛光垫修整盘整体而言,我国本土企业仍处于尝试突破阶段,高端产品依然空白。

 

2、靶材

高纯溅射靶材(包括蒸发材料)作为集成电路芯片制造过程中重要的配套材料之一,主要用于金属化工艺中互连线、阻挡层、通孔、背面金属化层等薄膜的制备。使用的靶材原材料主要有超高纯铝及其合金、铜、、钽、钨、钨钛合金以及及合金、钴、金、银、铂及合金等(表17)。

 

全球靶材制造行业呈现寡头垄断格局,少数日美化工与制造集团主导了全球靶材制造行业,其中霍尼韦尔、日矿金属、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等跨国集团占据主导地位。

 

在国内,靶材是集成电路材料领域最先打破国外垄断的产品。目前我国靶材行业已经初具规模,随着国内靶材企业的不断技术创新,出现了具备和日美跨国集团竞争的本土靶材企业。

 

国内靶材行业龙头包括宁波江丰电子、有研新材子公司有研亿金新材等。在逻辑芯片用靶材方面,国内最大的靶材生产商江丰电子生产的8-12英寸铝、钛、铜、钽靶材已批量进入国际主流芯片厂,公司产品70%以上销往以台积电等为代表的280多家海外芯片制造工厂,并在国际领先的7nm技术得到量产应用;在封装用靶材方面,有研亿金新材8英寸靶材也开始进入市场,公司正在建设12英寸系列靶材生线,在稀贵金属靶材研究与生产方面具备优势。

 

表17 常用靶材类别及其纯度和用途

 

整体上,我国高纯靶材生产技术已跻身国际第一梯队,以江丰电子为代表的国内靶材厂商目前掌握了钛靶、铝靶、铜靶等靶材从提纯到最终靶材成型的整套工艺,但7nm先进工艺用高端钴靶以及存储芯片用钨靶始终被韩国、美国等跨国公司垄断,国内供应商还在需求突破。

 

六、封装材料发展情况

封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、塑封料、黏结材料、底部填充料、液体密封剂、贴片材料、焊球、晶圆级封装电介质等。根据SEMI数据,2017年全球封装材料市场为191亿美金,其中封装基板、引线框架、键合丝、塑封料四大主要材料的占比分别为32.46%、16.75%、16.23%和6.81%(图10)。以下对这四类材料作重点分析。

 

图10 2017年全球封装材料市场

 

1、封装基板

封装基板作为芯片与外界电路连接的接口,主要起承载保护芯片与连接上层芯片和下层电路板作用(表18),已经成为封装材料细分领域销售占比最大的原材料,占封装材料比重超过50%。从材料上分类,封装基板可以分为有机基板、陶瓷基板、金属基板以及应用于三维集成的硅/玻璃基板等。其中有机基板由于具有节点常熟低、质量密度低、加工工艺简单、生产效率高和成本低等优点,是目前封装基板的主流产品。根据统计,有机封装基板的产值约占整个集成电路封装基板总产值的80%以上,其中又以刚性基板为主。

 

全球封装基板的主要生产厂商集中在我国台湾、韩国和日本三地,其市场占有率在90%以上。国内封装基板生产企业虽然仍与先进水平存在差距,但已经具备了基板加工工艺能力,并正在向领先技术靠近。目前国内主流基板厂有深南电路、珠海越亚、兴森科技和丹邦科技等。

 

从产品结构上看,深南电路和兴森科技均是在拥有较大规模的PCB业务的基础上开始发展封装基板业务,而珠海越亚和丹邦科技则是专注于发展的刚性有机无芯封装基板和COF柔性封装基板等高端基板业务。经过不断研发和技术积累,我国封装基板企业成功实现部分封装基板自产。其中深南电路在 FC、BGA、CSP 等高端基板领域已比较成熟,MEMS统封装基板全球占市率超过30%;珠海越亚的射频芯片封装基板全球市场容量达25%,细分领域处于世界领先水平。

 

同时,珠海越亚生产的无芯封装基板已经成功通安华高科等行业巨头的认证并已向其供货多年;此外,丹邦科技目前已成为全球极少数掌握COF基板关键原材料FCCL自产技术的基板厂商,并且正积极研发原材料PI膜。

 

表18 主要封装基板材料及用途

 

现阶段,国内基板企业不断积极开发新工艺、新技术,努力缩小于国外厂商的差距,但国内基板企业从技术、成本等等方面均缺乏竞争优势,部分高端封装基板先进工艺技术完全被日韩等企业垄断的局面仍然存在,而且原材料也受制于海外企业。

 

2、引线框架

引线框架作为集成电路的芯片载体,是一种借助于键合材料(金丝、铝丝、铜丝)实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接,形成电气回路的关键结构件,它起到了和外部导线连接的桥梁作用。理想的引线框架材料必须满足以下特性:导热、导电性能好;有足够的强度、刚度和成型性;较低的热膨胀系数、良好的匹配性、钎焊性、耐腐蚀性、耐热性和耐氧化性;平整度好,残余应力小,加工后不成形;易冲裁加工。常用的引线框架材料有两类,即铜基引线框架材料和铁基引线框架材料(表19)。

 

表19 常用引线框架材料类别及其特性和用途

 

目前国际引线框架的供货大格局没有大的变化,仍是日韩及台湾企业为主(表20)。外资企业一直占据着国内引线框架的中高端市场,其份额约占3/5左右,全球排名前10位的引线框架企业基本都在国内设有工厂。近年来以宁波康强电子(全球排名第七)为代表的国内本土引线框架企业成长较快,表21是目前主要的内资引线框架企业情况。内资引线框架企业中目前宁波康强一家独大,与其他引线框架企业差距拉大,这从另一方面说明了中国大陆本土引线框架企业较分散,与外资企业的差距还相当大,发展后劲也略显不足。

 

另外,目前国内引线框架企业的发展跟不上国内封装行业的发展,没有形成像封装企业那样的产业集群格局。因此,国内引线框架企业对我国集成电路行业的支撑作用还需要进一步加强。

 

表20 2017年全球引线框架供应商市场份额(按销售额计)

 

表21 主要内资引线框架企业

 

3、键合丝

键合丝是半导体器件和集成电路组装四大必须基础材料之一,作为芯片与引线框架之间内引线,实现稳定、可靠的电连接,广泛应用于集成电路、分立器件、光电器件和功率器件的封装。虽然现在有不用键合丝的键合方法(比如倒装焊),但目前90%的集成电路产品是以键合丝来封装。

 

从基础材料划分,目前市场上使用比较普及的键合丝产品主要有4大类型:键合金丝、键合铜丝、键合银丝、键合铝丝。目前,键合丝中铝丝、铜丝主要应用于中低端产品,贵金属丝主要用于高端集成电路产品,尤其金丝以其优异的性质一直占据着键合丝市场的绝大部分份额。从合金成分及复合结构细分见表22。

 

表22 键合丝分类及用途

 

目前日本、德国、韩国等是全球键合丝主要生产国,主要生产企业包括日本田中贵金属、日本新日铁、德国贺利氏、韩国MKE、韩国Heesung及台湾乐金、台湾钰成金属等。其中,日本田中贵金属株式会社、德国贺利氏控股集团属于国际上较早从事键合丝生产的大型企业,在全球键合丝行业中仍具有较强影响力。

 

国内键合丝生产企业有20几家,主要有贺利氏(招远)贵金属材料、贺利氏招远(常熟)电子材料、田中电子(杭州)、烟台一诺电子材料、招金励福贵金属、北京达博有色金属焊料、铭凯益电子(昆山)、佳博电子科技、宁波康强电子、山东科大鼎新电子科技、四川维纳尔等。

 

国内具有一定影响力的键合丝生产企业主要为国际知名键合丝制造商贺利氏、田中等在国内的独资或合资企业,占据高端金丝和铜丝产品市场;本土企业达博、只能在低端领域进行激烈竞争,尽管近几年部分内资企业发展很快,已具有与国际键合丝巨头竞争的能力,部分键合丝生产企业已经达到国际同等领先水平,但国内制造企业对新技术的掌握以及产品设计和制造质量的控制手段以及新产品导入的流程控制等方面与国外存在一定的差距。

 

4、塑封材料、金属封装材料、陶瓷封装材料

按照封装材料种类的不同,电子器件封装可以分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种(表23)。(环氧)塑封具有成本低、尺寸小、质量小、可批量生产等优点,目前95%以上的集成电路都采用塑料封装,而在塑料封装中,97%以上都是利用环氧塑封料(EMC)进行的。

 

表23 封装材料种类及特性

 

国外塑封料生产厂家主要集中在日本、韩国、台湾等,主要有日本住友电木、日本日立化成、日本京瓷化学、日本信越化学、日本松下电工、韩国三星Cheil、台湾长春等厂家,其中日本企业技术领先,产量最大。国内塑封料生产商有20几家,主要包括长春塑封(常熟)、衡所华威、江苏中鹏、江苏华海诚科、昆山长兴、北京科化等。

 

日本企业的塑封料产品,依靠其产品在操作性和可靠性上的技术优势在SOP、QFP\BGA等中高端市场占有较大份额。韩国和中国的企业以其成本优势占据分立器件DO、TO、SOD、SOT、DIP、SOP、QFP等中低端市场。国内塑封产品多在中低端市场领域,高端市场被日本厂商垄断,国内塑封产品仅占30%国内市场份额,部分中端产品进口依存度高达80%以上,高端产品基本上全部依赖进口(表24)。

 

表24 国内环氧塑封料应用情况

 

国内从事金属外壳研发和生产的单位主要有合肥圣达电子、中国电科44所、中国电科55所、青岛凯瑞电子、宜兴吉泰电子、浙江长兴电子、诸城电子封装厂、无惠波电子器材二厂、蚌埠兴创电子科技、武汉钧菱电子等,主要产品是分立器件、集成电路、光电器件、各类传感器等使用的金属陶瓷外壳及微波外壳。

 

国外陶瓷封装日本居首位,日本占据了美国陶瓷封装市场的90%~95%,占美国国防陶瓷封装市场的95%~98%。日本的NTK陶瓷、SMI和KyoceraInternational等三家陶瓷封装公司几乎垄断了美国电子武器装备用陶瓷封装集成电路和分立器件市场。

 

我国集成电路用陶瓷外壳生产厂目前主要有中国电科13所、江苏宜兴电子器件总厂、福建闽航电子器件、中国电科55所、浙江长兴电子、潮州三环、南平三金电子等,其中前三家均有从国外引进的生产线,采用流延技术可生产方形扁平陶瓷封装(CQFP)、无引线陶瓷芯片封装(CLCC)、插脚阵列式陶瓷封装(CPGA)等产品。

 

在国内金属陶瓷管壳及封装工艺技术快速发展的同时,也应该看到与国际先进技术水平存在的差距。特别是内陶瓷管壳的一致性和成品率需要进一步提高,大引脚高密度陶瓷和Ka波段以上频率器件外壳的研制还是空白,多信号系统的外壳距离产业化还存在较大的差距,国产外壳还无法实现千瓦级微波大功率器件的封装。尤其在高可靠圆片级工艺、硅通孔3D封装工艺平台等方面,3D/SiP封装的设计、工艺、可靠性以及产品研发还需要进一步提升。

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