半导体破局能手：我国精密陶瓷产业10大痛点及发展建议！

刘光华

精密陶瓷部件主要是指应用在半导体设备中的高精密复杂结构陶瓷部件。精密陶瓷部件是半导体设备的关键部件，其研发生产直接影响半导体产业发展。近几年，随着国家政策的调整，半导体行业迅速发展，产业规模急速增大，半导体制造设备持续向精密化、复杂化演变，高精密陶瓷关键部件的技术要求也越来越高。由于陶瓷具有高硬度、高弹性模量、高耐磨、高绝缘、耐腐蚀、低膨胀等优点，可用作硅片抛光机、外延/氧化/扩散等热处理设备、光刻机、沉积设备，半导体刻蚀设备，离子注入机等设备的零部件。半导体陶瓷有氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅等，在半导体设备中，精密陶瓷的价值约占16%左右。
图片来源：pexels
一、最受欢迎的精密陶瓷材料
1. 氧化物陶瓷
据了解，半导体设备中会用到大量的氧化物陶瓷精密部件。例如氧化铝材料，高纯Al₂O₃涂层或Al₂O₃陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。除了腔体以外，等离子体设备的气体喷嘴，气体分配盘和固定晶圆的固定环等也需用到氧化铝陶瓷。而在晶圆抛光工艺中，氧化铝陶瓷可被广泛应用于抛光板、抛光磨垫校正平台、真空吸盘等。
氧化铝抛光板，来源：日本京瓷
此外，上面我们说了，氧化锆陶瓷作为劈刀的主要制造材料，是引线键合过程中的必不可少的工具。
2. 碳化硅陶瓷
碳化硅材料具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有极佳的可抛光性，可以通过机械加工至优良的镜面；因此采用碳化硅作为光刻机等半导体关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。
碳化硅微动台本体组件
3. 氮化硅陶瓷
作为一种共价键化合物，其热膨胀系数低、导热率高、抗化学腐蚀、耐热冲击性极佳。经过热压烧结的Si3N4，其硬度极高，且极耐高温，它的强度一直维持在1200℃高温下而不下降，受热后不会熔成融体，到1900℃才会分解。因此，氮化硅陶瓷被称为是“综合性能最好的陶瓷材料”，在半导体设备中被用以制造平台、导轨、轴承等部件。
4. 氮化铝陶瓷
图片来源：海拓创新
目前的静电吸盘主要采用氧化铝陶瓷作为主体制造材料，而氧化铝材料热导率及相关机械性能不及氮化铝陶瓷，因此采用氮化铝陶瓷替代氧化铝陶瓷作为静电吸盘的制造材料将成为趋势。
二、精密陶瓷可以做成哪些精密部件？
在高端光刻机中，为实现高制程精度，需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如 E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等，这些关键部件一般选用陶瓷材料。
扫描电机水冷骨架
光刻机方镜
在刻蚀设备中，采用陶瓷材料制作的部件主要有窗视镜，气体分散盘，喷嘴，绝缘环，盖板，聚焦环和静电吸盘等。随着芯片特征尺寸的减小和卤素类等离子体能量的逐渐提高，刻蚀机工艺腔和腔体内部件的耐等离子体刻蚀性能变得越来越重要。相对于有机和金属材料，陶瓷材料一般都具有较好的耐物理和化学腐蚀性能以及很高的工作温度，因而在半导体工业中，多种陶瓷材料已成为半导体单晶硅片制造工序和前道加工工序的设备核心部件制造材料。
图片来源：日本京瓷
日本丸和制造的碳化硅环
静电吸盘，图片来源：海拓创新
再比如，陶瓷劈刀是引线键合过程中的必不可少的工具，其中部分厂家的陶瓷劈刀主要成分为氧化锆增强氧化铝，其微观结构均匀而致密，密度提高到4.3g/cm³。四方相氧化锆的含量和均匀致密的微观结构促使锆掺杂的陶瓷劈刀具有非常优异的力学性能，减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。
陶瓷劈刀，来源：三环集团
一台半导体设备看似是用金属及塑料打造的，其实里面隐藏着非常多极具技术含量的精密陶瓷部件。总之，精密陶瓷在半导体设备中的应用远比我们想象中要多。
三、全球精密陶瓷产业现状及面临问题
精密陶瓷由于其自身的优良性能，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天和生物医学等领域，成为这些领域发展的重要关键材料，备受各工业发达国家的极大关注，其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步。
1. 产业现状
国外
目前，全球范围内精密陶瓷技术快速进步、应用领域拓宽及市场稳定增长的发展趋势明显。由于较高的技术壁垒，精密陶瓷行业长期被日本、美国及一些具有独特技术的欧洲公司所垄断。其中，日本是最大的精密陶瓷生产国，门类齐全，产量大，应用领域广，综合性能优，在陶瓷市场特别是电子陶瓷市场中占据主导地位。耐高温结构陶瓷则是美国精密陶瓷发展的重点。此外，欧盟各国特别是德国、法国在结构陶瓷领域进行了重点研究，主要集中在发电装备、新能源材料和发动机中的陶瓷器件等领域。
国内
我国几乎对所有工业用精密陶瓷材料都进行了研究和开发，经过“六五”、“七五”、“八五”攻关及“863”、“973”、“科技支撑”、“科技部重大专项”等科研项目的研发，我国精密陶瓷材料的研究与开发能力有了显著的提高。
我国陶瓷材料制备工艺发展概况：
在粉体制备方面，我国陶瓷粉体的制备方法主要有固相反应法、液相反应法和气相反应法3大类。随着纳米技术的发展，通过气相反应法制成的粉体具有表面积大、球形度高、粒径分布窄等特点，为高性能陶瓷制备提供了基础保障。
在成形技术方面，我国精密陶瓷行业采用的主要成形技术有干法压制成形中的冷等静压成形、塑性成形中的注射成形、浆料成形中的流延成形和凝胶注模成形等。
在烧结技术方面，我国精密陶瓷行业主要采用热压烧结(HP)和气压烧结(GPS)技术，国内在大尺寸气压烧结氮化硅陶瓷方面突破了国外技术封锁，实现技术国产化。
在精密加工技术方面，电火花加工、超声波加工、激光加工和化学加工等加工技术逐步应用于陶瓷加工中。
2. 我国面临的主要问题和挑战
与国外精密陶瓷行业相比，我国生产的大部分精密陶瓷产品附加值较低，很多电子整机中技术含量较高的陶瓷元件仍需要大量进口；原料高纯化、元器件高致密、大尺寸、复杂形状、陶瓷靶材等问题亟需解决；国内部分材料的性能指标尚未达到国外同类材料的水平，装备设备精度差，高端设备依赖进口；产学研用结合不紧密，实验室成果缺乏重视，与实际应用脱节严重。
目前我国高纯、超细、高性能陶瓷粉体制造技术和工艺与日美等国家有着较大距离，高端粉体材料依然以进口为主。另外，粉体的高效分散技术也存在较大差距。引进高端装备在一定程度提升了我们的技术装备水平，但对于企业而言投资大，经济压力大。随着国产高端制备装备的发展，对可满足特定材料性能要求的陶瓷材料及部件需求量也越来越大，但受限于我国高端陶瓷材料的制造水平，很大程度上还是需要使用进口材料。总体来说，我国从先进陶瓷大国向强国转型主要面临以下问题：
缺乏优质先进陶瓷粉末原料生产企业
目前，虽然国内先进陶瓷粉末原料生产企业很多，但陶瓷粉末性能通常存在较大的分散性和不稳定性，因此直接影响后续批量化制备的陶瓷产品性能和可靠性。近几年国内在一些高品质氧化物陶瓷粉末产业化方面已有突破，如山东国瓷和广东华旺公司采用先进的水热水解技术生产的纳米氧化锆粉已作为高端生物陶瓷的齿科材料获得广泛应用，在国内外均占有较大的市场份额；潮州三环生产的用于手机陶瓷背板的高强度高韧性氧化锆专用粉，已成功用于小米6、小米MIX2、OPPO等多款手机陶瓷背板，可经受从1米高度不同角度的跌落无任何破裂；江西赛瓷公司生产的高性能低温烧结纳米氧化锆粉已成功应用于光纤连接器陶瓷插芯，从而打破了日本Tosoh等公司在这一领域的垄断。
但是我国在其他许多重要的结构陶瓷粉末方面还达不到这种水平，例如高纯度易烧结的氧化铝陶瓷粉末，仍然依赖从日本大明公司、住友公司、昭和电工以及德国纳博特公司、安迈公司和法国的一些公司进口。特别是高性能非氧化物陶瓷粉末，如氮化硅、氮化铝、碳化硅、碳化硼、硼化锆等共价键陶瓷粉末，国内尚缺乏一流的生产供应商。例如用于制备高强度陶瓷轴承的氮化硅粉末主要依赖从日本宇部公司（简称UBE公司）及瑞典的公司进口；而半导体芯片封装用的高导热基板用氮化铝陶瓷粉主要从日本德山曹达等公司进口，而高性能的碳化硅陶瓷粉末需从法国圣戈班公司进口，高品质的防弹装甲用碳化硼、超高温陶瓷用硼化锆等粉末需从德国H.C.Starck等公司进口；特别是核电站中子吸收用的核级碳化硼原料存在较大差距。大连金玛硼业是国内在高性能碳化硼粉末研发和生产有实力的企业，正在拉近与国际先进水平的差距。上述这些依赖进口的高端陶瓷粉料一旦被卡脖子（类似中兴芯片），将会被置于极端危险的境地。
规模化生产的技术与装备相对落后
虽然我国高性能结构陶瓷生产工艺技术已有很大提升，但在关键工艺技术和装备上仍然有较大差距，国产装备的性能和可靠性还难以达到国际先进水平。由于结构陶瓷生产的工艺装备，包括粉体处理装置、各种成型设备、不同类型高温烧结炉、精密研磨加工设备，大多不是市场上通用机械装备；开发这些专用设备其性能和可靠性与进口的设备比较均有差距，体现在设备的精度、可靠性和稳定性以及寿命方面。包括像陶瓷粉末喷雾造粒装置、注射成型机、气氛压力烧结炉、热等静压烧结炉、陶瓷精加工的研磨设备、加工中心（CNC）等。例如近几年快速发展起来陶瓷粉末的精密注射成型技术，可以制备形状复杂和内部结构精细的高附加值陶瓷产品，如陶瓷插芯、陶瓷手术刀、陶瓷关节等，但由于成型烧结工艺的可控精度以及后续精密机加工设备等原因，导致像半导体工业中大量使用的陶瓷劈刀等产品还无法商业化生产，还需从日本、美国、瑞士进口。
企业的技术创新及工程化能力还较弱
国内先进结构陶瓷材料的企业虽然多达上千家，但以中小企业居多。由于目前这类企业的专业技术人员（包括工程师和技术工人）普遍比较缺乏，研发力量比较弱，特别是具有十年以上研发和生产经验的陶瓷工艺工程师和机加工等方面的工程师一人难求，因此在新产品和新工艺的研发方面不像国外公司那样快速又有条件保障。即使现在通过产学研结合，将大学和科研院所的成果到企业进行转化，但由于受到企业工程技术人员少和工艺装备的局限性，要快速实现产业化和规模化的时间周期也比较长，因此常常失去进入市场的有利时机；可见我国在先进陶瓷产业上的工程师和技术研发人员的严重缺失，已成为制约整个产业发展的一大瓶颈。
急需具有国际品牌或专业化的公司
如前所述，美国、日本、德国、法国、英国等发达国家在先进陶瓷材料这一领域已有一批具有国际品牌价值和影响力的大公司，如美国的库尔斯泰克（CoorsTec）、康宁（Coning）、赛瑞丹（Ceradyne）等公司、日本的京瓷（Kyocera）公司、NGK和NTK公司、东芝陶瓷、德国赛琅泰克（CeramTec）公司、法国圣戈班（Saint-Gobain）公司、英国的摩根（Morgan）公司，这些大公司的产品品质高、种类多、销往全球，包括中国也要进口他们的许多产品。此外上述发达国家还有一批企业具有高度专业化的水准，如专业生产纳米氧化锆粉末原料的日本东曹（Tosoh）公司和专业生产氮化硅粉末原料日本宇部公司（简称UBE），在全球享有盛誉，以至于美国苹果公司的无线充电的智能手表陶瓷后盖，指名必须采用日本Tosoh公司的原料。又例如美国奎斯特技术公司（Quest Technology.LP）其技术核心是注射成型工艺和注射模具的制造，公司生产的产品主要是氧化铝、氮化铝、氮化硅等高技术结构陶瓷，其生产最大的特点是精密注射成型生产线和相应的注射摸具加工配套，产品精度非常高。
我国近几年虽然也涌现了像潮州三环、山东国瓷、顺络电子、中材高新等大公司，在国际上开始产生影响力，但绝大多数结构陶瓷企业的品牌价值和影响力尚未形成，具有高度专业化的陶瓷公司也比较少。此外，许多中小型陶瓷企业的产品同质化现象严重，恶性竞争比较激烈，且产品性能指标达不到国际先进水平，因此还难以进入广阔的国际市场。
四、我国精密陶瓷产业的十大“痛点”
高性能氮化硅和氮化铝粉末
这两种重要的先进陶瓷粉末原料严重依赖进口，主要来自日本宇部（UBE）公司，日本德山曹达等公司，不但价格昂贵且供货不能保障。国内的生产企业无论在粉末性能还是批量生产的稳定性和一致性方面均有较大差距，从而在一定程度上制约了像高端陶瓷轴承球、高导热高强度陶瓷基板等许多高附加值陶瓷产品的产业化。
高导热高强度氮化硅陶瓷基板
随着新能源汽车、高铁、风力发电和5G基站的快速发展，这些新产业中所用的大功率器件IGBT对最新一代的高导热高强度的氮化硅陶瓷基板需求巨大，仅中车集团每年需求量就达到500万片；日本的京瓷和美国罗杰斯等公司都已可批量生产和提供覆铜刻蚀的氮化硅陶瓷基板；国内起步较晚，但近几年大学研究机构和一些企业都在加快研发并取得较大进展，其导热率＞90WM/K，抗弯强度＞650MPa，断裂韧性＞6.5MPa.m1/2；但距产业化还有一定差距。
高导热高强度氮化硅陶瓷基板
高性能氮化铝氮化硅覆铜板的制备
对于IGBT用高导热氮化铝氮化硅覆铜基板还是以进口为主，特别是在高铁上的大功率器件控制模块；国内的基板覆铜技术尚不能完全达到对覆铜板的严格考核，例如冷热循环次数。目前，国际上都采用先进的活化金属键合（AMB）技术进行覆铜，比直接覆铜（DBC）具有更高的结合强度和抗冷热循环特性。
易烧结细晶氧化铝陶瓷粉末
许多高端的氧化铝陶瓷产品如氧化铝体系的生物陶瓷、陶瓷基板、真空管壳、耐磨纺织瓷件、电子真空瓷件等所使用的氧化铝粉末还依赖从日本、德国、美国进口，特别是制备氧化铝含量为99.5%、99.7%、99.8%、99.9%的晶粒细小、结构均匀、机电性能和耐磨性好的氧化铝陶瓷零部件；国内厂家在氧化铝粉末的杂质含量控制、烧结活性，特别是烧结成瓷后的显微结构均匀性和材料性能上还具有差距。
压力传感器用氧化铝平板
氧化铝陶瓷平板电容式压力传感器在各种汽车上用量巨大，市场达近百亿，但目前这种氧化铝平板主要依赖进口。国产氧化铝板在材料的弹性模量、弹性变形循环次数、使用寿命和可靠性等方面还有差距，尚未进入商业化实际应用。
平板式氧化锆基氧传感器
平板式氧化锆氧传感器对降低汽车排气有害物的排放及燃油经济性的提高起到很大的作用，目前汽车用氧传感器以浓差电池型氧化锆传感器为主。近年来，国内汽车持有量日益增多，每辆汽车至少要安装2个氧传感器，氧传感器市场年增长率达30％，并且氧传感器属于易损件，基本上每个大修期(甚至每年)都要更换，而目前我国所有的汽车氧传感器几乎全部依赖进口或者进口组装。庞大的汽车氧传感器市场、严格的汽车尾气排放法规和我国国内相关技术的欠缺，使得研究和开发具有我国自主产权的性能好、可靠性高的氧传感器产品显得尤为迫切和重要。现在，生产汽车氧传感器的主要有Bosch、Delphi、Denso、NTK、Kefico等，以及其在各地的一些合资公司和子公司。其中Bosch公司为最大的氧传感器生产企业。另外，国外一些陶瓷企业，依靠其强大的陶瓷开发能力，生产氧传感器敏感元件和陶瓷加热器，如日本京瓷。
生物陶瓷髋关节
生物陶瓷髋关节市场需求巨大，全球平均每2分钟就有一例陶瓷髋关节置换手术，目前主要由德国赛琅泰克公司和日本京瓷等公司生产，国内每年需要大量进口。陶瓷髋关节材料性能和可靠性要求非常高，使用寿命至少20年。德国赛琅泰克公司生产的这种采用ZrO₂和SrAl₁₂-xCrxO19板状晶协同增强增韧Al₂O₃基复相陶瓷材料，其抗弯强度和断裂韧性分别达到1380MPa和6.5 MPa·m1/2，国内还是空白。
长寿命高耐磨陶瓷轴承球和轴承
在航天发动机、风力发电、数控机床等高端装备所使用的陶瓷轴承，不但要求高的力学性能和热学性能，而且要求优异的耐磨性、可靠性和长寿命，目前国产的氮化硅陶瓷轴承球与日本东芝陶瓷公司还有明显差距；与国际上著名的瑞典SKF公司、德国FAG公司和日本KOYO等轴承公司相比，我们的轴承还处于产业链的中低端，像风电和数控机床等高端产品还依赖进口。
大尺寸透明透波陶瓷
在军工国防用到的透明和透红外线陶瓷材料，如Y₂O₃（氧化钇）、MgO（氧化镁）、AlON（阿隆）、MgAl2O4（镁铝尖晶石）陶瓷以及具有激光特性Nd:YAG）透明陶瓷。目前我们的技术还限于制备有限的尺寸，对于国际上已达到半米的大尺寸透明透波陶瓷材料我们还很困难，无论在工艺技术和装备上均有差距。
半导体晶圆生产线上的陶瓷备件
半导体晶圆生产线上需要使用到大量的陶瓷备件，例如陶瓷盘、陶瓷手臂、陶瓷环、保持架等；涵盖了氧化铝、氮化铝、碳化硅等多种结构陶瓷材料，要求材料纯度高、致密均匀、产品加工精度和光洁度极高。国内只有少数几家企业提供部分这类产品，像高端的氮化铝与碳化硅陶瓷备件还得依赖进口。
五、对我国精密陶瓷产业的发展建议
1. 培育潜力企业，发挥行业带动作用。建议国家有关部门在落实《国家集成电路产业发展推进纲要》中，进一步加大对精密陶瓷部件研发和产业的支持。通过整合科研系统与行业协会、联盟，在全国范围内集中资源优先甄选扶植一批具有国际竞争力的潜力企业，从而带动全行业企业发展。
2. 加强产业协同，整合国内产业资源。建议国家有关部门鼓励国有装备、材料、化工等大型企业参与精密陶瓷行业发展。制定装备及配件国产化的指导性目标，建立财政引导与科技保险相结合的关键部件材料国产化引导机制，通过政府财政与市场化保险产品的保障支持，鼓励国内半导体装备企业采购国产精密陶瓷部件。鼓励企业及院校联合建立技术研发与检测认证机构，加快建立精密陶瓷等关键部件及材料国产化的科技服务体系。
3. 强化涉企保障，优化产业发展环境。建议国家有关部门在精密陶瓷产业聚集地设立知识产权协助中心，通过缩短知识产权审核授权周期、加大侵权惩戒力度等方式，指导并协助企业处理知识产权纠纷，保护研发创新动力。吸引精密陶瓷重点企业落户保税区，通过有限区域的税收政策差异化，缓解半导体产业当前的研发攻关成本压力。同时，围绕精密陶瓷企业专业技术人才培育，加强政策统筹协调，支持地方做好核心团队成员的落户、子女就学、医疗等配套保障，尤其是从国外领先企业的引进人才团队的服务支持。
4. 发挥市场作用，加大产业投入力度。建议进一步完善上交所、深交所交易功能，借助北京证券交易所的建立新契机，在三家国家级交易所创新设立精密陶瓷等新材料板块，精准支持具有核心竞争力的新材料中小企业。鼓励保险、信托等长期资金加大对优秀未上市中小企业的股权投资，打通资本融入、退出的合理通道，为进一步支持新材料类“硬核科技”企业成长清障提速。