半導體是一種電導率在絕緣體至導體之間的物質,其電導率容易受控制,可作為信息處理的元件材料.從科技或是經濟發展的角度來看,半導體非常重要.很多電子產品,如計算機、移動電話、數字錄音機的核心單元都是利用半導體的電導率變化來處理信息.從分類來看,半導體可分為集成電路、分立器件、光學光電子和傳感器四大部分,其中集成電路占比最大,超過80%;分立器件、光電子和傳感器占據其餘份額,三者統稱為D-O-S.
從材料的角度看,半導體產業相關的材料主要有三大類:基體材料、制造材料、封裝材料.
一、基體材料
1、矽晶圓
根據芯片材質不同,分為矽晶圓片(第一代半導體)和化合物半導體,其中矽晶圓片的使用范圍最廣,是集成電路IC制造過程中最為重要的原材料.矽晶圓片全部采用單晶矽片,應用於電力電子上的矽材料純度要求更高,通常要求純度達到11N以上.
2、化合物半導體
化合物半導體主要指砷化鎵、磷化銦、氮化鎵和碳化矽等第二、第三代半導體,相比第一代單質半導體(如Si、Ge等所形成的半導體),化合物半導體在高頻性能、高溫性能方面優異很多.總的來說.第1代:矽、鍺的應用,推動瞭數字電路及其相關產業的興起,目前代表產品是矽;第2代:砷化鎵、磷化銦的應用,推動瞭通信等一系列產業的發展;第3代:氮化鎵、碳化矽等半導體材料的應用,目前能看到的是直接推動瞭半導體照明、顯示、電力汽車等一系列產業的發展.
第三代半導體的熱點方向
二、制造材料
1、拋光材料
半導體中的拋光材料一般是指CMP化學機械拋光過程中用到的材料,CMP拋光是實現晶圓全局均勻平坦化的關鍵工藝.拋光材料一般可以分為拋光墊、拋光液、調節器和清潔劑,其中前二者最為關鍵.拋光墊的材料一般是聚氨酯或者是聚酯中加入飽和的聚氨酯,拋光液一般是由超細固體粒子研磨劑(如納米級二氧化矽、氧化鋁粒子等)、表面活性劑、穩定劑、氧化劑等組成.
2、光刻膠
光刻膠也稱為光致抗蝕劑,是一種光敏材料,受到光照後特性會發生改變,是微電子技術中微細圖形加工的關鍵材料之一,主要應用於電子工業和印刷工業領域.光刻膠有正膠和負膠之分:正膠經過曝光後,受到光照的部分變得容易溶解,經過顯影後被溶解,隻留下未受光照的部分形成圖形;而負膠卻恰恰相反,經過曝光後,受到光照的部分會變得不易溶解,經過顯影後,留下光照部分形成圖形。
光刻膠自 1959 年被發明以來一直是半導體核心材料,隨後被改進運用到 PCB 板的制造,並於 20 世紀 90 年代運用到平板顯示的加工制造.最終應用領域包括消費電子、傢用電器、汽車通訊等.
光刻膠行業發展方向基本由下遊需求決定,其中半導體領域是技術門檻最高的子領域.光刻膠產品是電子化學品中技術壁壘最高的材料之一,其不僅具有純度要求高、工藝復雜等特征,還需要相應光刻機與之配對調試.一般一塊半導體芯片在制造過程中需要進行 10-50 道光刻過程,由於基板不同、分辨率要求不同、蝕刻方式不同等,不同的光刻過程對光刻膠的具體要求也不一樣,即使類似的光刻過程,不同的廠商也會有不同的要求.針對不同應用需求,光刻膠的品種非常多,這些差異主要通過調整光刻膠的配方來實現.因此,通過調整光刻膠的配方,滿足差異化的應用需求,是光刻膠制造商最核心的技術.
3、掩膜版
又稱光罩、光掩模版、光刻掩膜版,材料:石英玻璃、金屬鉻和感光膠,該產品是由石英玻璃作為襯底,在其上面鍍上一層金屬鉻和感光膠,成為一種感光材料,把已設計好的電路圖形通過電子激光設備曝光在感光膠上,被曝光的區域會被顯影出來,在金屬鉻上形成電路圖形,成為類似曝光後的底片的光掩模版,然後應用於對集成電路進行投影定位,通過集成電路光刻機對所投影的電路進行光蝕刻,其生產加工工序為:曝光,顯影,去感光膠,最後應用於光蝕刻.
4、濺射是制備薄膜材料的主要技術之一,它利用離子源產生的離子,在真空中經過加速聚集,而形成高速度能的離子束流,轟擊固體表面,離子和固體表面原子發生動能交換,使固體表面的原子離開固體並沉積在基底表面,被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為濺射靶材.
濺射靶材主要應用於電子及信息產業,如集成電路、信息存儲、液晶顯示屏、激光存儲器、電子控制器件等;亦可應用於玻璃鍍膜領域;還可以應用於耐磨材料、高溫耐蝕、高檔裝飾用品等行業.
半導體芯片的單元器件內部由襯底、絕緣層、介質層、導體層及保護層等組成,其中,介質層、導體層甚至保護層都要用到濺射鍍膜工藝.集成電路領域的鍍膜用靶材主要包括鋁靶、鈦靶、銅靶、鉭靶、鎢鈦靶等,要求靶材純度很高,一般在5N(99.999%)以上.
三、封裝材料
半導體封裝是指將通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程.整個封裝流程需要用到的材料主要有芯片粘結材料、陶瓷封裝材料、鍵合絲、引線框架、封裝基板等.
1、粘結材料
粘結材料是采用粘結技術實現管芯與底座或封裝基板連接的材料,在物理化學性能上要滿足機械強度高、化學性能穩定、導電導熱、低固化溫度和可操作性強的要求.在實際應用中主要的粘結技術包括銀漿粘接技術、低熔點玻璃粘接技術、導電膠粘接技術等.
2、封裝基板
封裝材料主要起到保護芯片與連接下層電路板的作用.完整的芯片是由裸芯片與封裝體組合而成,封裝基板能夠保護、固定、支撐芯片.
封裝基板通常可以分為有機、無機和復合等三類基板,在不同封裝領域各有優缺點.有機基板介電常數較低且易加工,適合導熱性能要求不高的高頻信號傳輸;無機基板以陶瓷為支撐體,耐熱性能好、佈線容易且尺寸穩定性,但是成本和材料毒性有一定限制;復合基板則是根據不同需求特性來復合不同有機、無機材料.
3、陶瓷封裝材料
陶瓷封裝材料是電子封裝材料的一種,用於承載電子元器件的機械支撐、環境密封和散熱等功能.相比於金屬封裝材料和塑料封裝材料,陶瓷封裝材料具有耐濕性好,良好的線膨脹率和熱導率,在電熱機械等方面性能極其穩定,但是加工成本高,具有較高的脆性.
4、引線框架及鍵合材料
引線框架作為集成電路的芯片載體,是一種借助於鍵合材料(金絲、鋁絲、銅絲)實現芯片內部電路引出端與外引線的電氣連接,形成電氣回路的關鍵結構件,它起到瞭和外部導線連接的橋梁作用,絕大部分的半導體集成塊中都需要使用引線框架,是電子信息產業中重要的基礎材料.
引線框架用銅合金大致分為銅一鐵系、銅一鎳-矽系、銅一鉻系、銅一鎳一錫系(JK–2合金)等,三元、四元等多元系銅合金能夠取得比傳統二元合金更優的性能.
