半导体是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质,其电导率容易受控制,可作为信息处理的元件材料.从科技或是经济发展的角度来看,半导体非常重要.很多电子产品,如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息.从分类来看,半导体可分为集成电路、分立器件、光学光电子和传感器四大部分,其中集成电路占比最大,超过80%;分立器件、光电子和传感器占据其余份额,三者统称为D-O-S.
从材料的角度看,半导体产业相关的材料主要有三大类:基体材料、制造材料、封装材料.
一、基体材料
1、硅晶圆
根据芯片材质不同,分为硅晶圆片(第一代半导体)和化合物半导体,其中硅晶圆片的使用范围最广,是集成电路IC制造过程中最为重要的原材料.硅晶圆片全部采用单晶硅片,应用于电力电子上的硅材料纯度要求更高,通常要求纯度达到11N以上.
2、化合物半导体
化合物半导体主要指砷化镓、磷化铟、氮化镓和碳化硅等第二、第三代半导体,相比第一代单质半导体(如Si、Ge等所形成的半导体),化合物半导体在高频性能、高温性能方面优异很多.总的来说.第1代:硅、锗的应用,推动了数字电路及其相关产业的兴起,目前代表产品是硅;第2代:砷化镓、磷化铟的应用,推动了通信等一系列产业的发展;第3代:氮化镓、碳化硅等半导体材料的应用,目前能看到的是直接推动了半导体照明、显示、电力汽车等一系列产业的发展.
二、制造材料
1、抛光材料
半导体中的抛光材料一般是指CMP化学机械抛光过程中用到的材料,CMP抛光是实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺.抛光材料一般可以分为抛光垫、抛光液、调节器和清洁剂,其中前二者最为关键.抛光垫的材料一般是聚氨酯或者是聚酯中加入饱和的聚氨酯,抛光液一般是由超细固体粒子研磨剂(如纳米级二氧化硅、氧化铝粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成.
2、光刻胶
光刻胶也称为光致抗蚀剂,是一种光敏材料,受到光照后特性会发生改变,是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一,主要应用于电子工业和印刷工业领域.光刻胶有正胶和负胶之分:正胶经过曝光后,受到光照的部分变得容易溶解,经过显影后被溶解,只留下未受光照的部分形成图形;而负胶却恰恰相反,经过曝光后,受到光照的部分会变得不易溶解,经过显影后,留下光照部分形成图形。
光刻胶自 1959 年被发明以来一直是半导体核心材料,随后被改进运用到 PCB 板的制造,并于 20 世纪 90 年代运用到平板显示的加工制造.最终应用领域包括消费电子、家用电器、汽车通讯等.
光刻胶行业发展方向基本由下游需求决定,其中半导体领域是技术门槛最高的子领域.光刻胶产品是电子化学品中技术壁垒最高的材料之一,其不仅具有纯度要求高、工艺复杂等特征,还需要相应光刻机与之配对调试.一般一块半导体芯片在制造过程中需要进行 10-50 道光刻过程,由于基板不同、分辨率要求不同、蚀刻方式不同等,不同的光刻过程对光刻胶的具体要求也不一样,即使类似的光刻过程,不同的厂商也会有不同的要求.针对不同应用需求,光刻胶的品种非常多,这些差异主要通过调整光刻胶的配方来实现.因此,通过调整光刻胶的配方,满足差异化的应用需求,是光刻胶制造商最核心的技术.
3、掩膜版
又称光罩、光掩模版、光刻掩膜版,材料:石英玻璃、金属铬和感光胶,该产品是由石英玻璃作为衬底,在其上面镀上一层金属铬和感光胶,成为一种感光材料,把已设计好的电路图形通过电子激光设备曝光在感光胶上,被曝光的区域会被显影出来,在金属铬上形成电路图形,成为类似曝光后的底片的光掩模版,然后应用于对集成电路进行投影定位,通过集成电路光刻机对所投影的电路进行光蚀刻,其生产加工工序为:曝光,显影,去感光胶,最后应用于光蚀刻.
4、溅射是制备薄膜材料的主要技术之一,它利用离子源产生的离子,在真空中经过加速聚集,而形成高速度能的离子束流,轰击固体表面,离子和固体表面原子发生动能交换,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面,被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材.
溅射靶材主要应用于电子及信息产业,如集成电路、信息存储、液晶显示屏、激光存储器、电子控制器件等;亦可应用于玻璃镀膜领域;还可以应用于耐磨材料、高温耐蚀、高档装饰用品等行业.
半导体芯片的单元器件内部由衬底、绝缘层、介质层、导体层及保护层等组成,其中,介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺.集成电路领域的镀膜用靶材主要包括铝靶、钛靶、铜靶、钽靶、钨钛靶等,要求靶材纯度很高,一般在5N(99.999%)以上.
三、封装材料
半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程.整个封装流程需要用到的材料主要有芯片粘结材料、陶瓷封装材料、键合丝、引线框架、封装基板等.
1、粘结材料
粘结材料是采用粘结技术实现管芯与底座或封装基板连接的材料,在物理化学性能上要满足机械强度高、化学性能稳定、导电导热、低固化温度和可操作性强的要求.在实际应用中主要的粘结技术包括银浆粘接技术、低熔点玻璃粘接技术、导电胶粘接技术等.
2、封装基板
封装材料主要起到保护芯片与连接下层电路板的作用.完整的芯片是由裸芯片与封装体组合而成,封装基板能够保护、固定、支撑芯片.
封装基板通常可以分为有机、无机和复合等三类基板,在不同封装领域各有优缺点.有机基板介电常数较低且易加工,适合导热性能要求不高的高频信号传输;无机基板以陶瓷为支撑体,耐热性能好、布线容易且尺寸稳定性,但是成本和材料毒性有一定限制;复合基板则是根据不同需求特性来复合不同有机、无机材料.
3、陶瓷封装材料
陶瓷封装材料是电子封装材料的一种,用于承载电子元器件的机械支撑、环境密封和散热等功能.相比于金属封装材料和塑料封装材料,陶瓷封装材料具有耐湿性好,良好的线膨胀率和热导率,在电热机械等方面性能极其稳定,但是加工成本高,具有较高的脆性.
4、引线框架及键合材料
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,绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架,是电子信息产业中重要的基础材料.
引线框架用铜合金大致分为铜一铁系、铜一镍-硅系、铜一铬系、铜一镍一锡系(JK--2合金)等,三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能.
