一、前言
电子材料涵盖范围非常广泛,若依材料性质,可区分为有机及无机两大类;若从功能特性来看,又可分为半导体材料、光电子材料、电子陶瓷材料、磁性材料、储能材料、敏感材料等;若从应用产业或领域区分,亦可归纳为半导体材料、显示器材料、印刷电路板材料、电池材料、记录媒体材料、被动组件材料、光纤光缆材料等。本文对电子材料之定义为应用于IC制造、平面显示器、构装、印刷电路板、记录媒体、小型二次电池/太阳电池等能源产业的材料,其主要功能在于本身为光机能性,或会影响产品电气性质的材料。
二、市场现况与展望
2006年全球电子材料市场需求约793亿美元(参见表一),较2005年成长了二成左右。若以电子材料各次产业的市场规模大小观之,平面显示器材料首次超越半导体材料,成为电子材料中需求最大的市场约222亿美元(比重为28.1%);其次是半导体材料(27.2%)、IC构装材料(17.9%)、印刷电路板材料(16.9%),总计前四大产业即占了电子材料产业整体需求市场的九成。
若观察2006年电子材料各产业成长表现:受惠于液晶电视需求的增加、面板厂持续扩厂的带动下,2006年平面显示器材料的成长幅度较前一年成长29%,成长率居电子材料各产业之首。而印刷电路板材料则是随着更上游原物料价格的高涨(如铜箔基板、电解/压延铜箔价格随着铜价一路走高等),加上印刷电路板整体需求逐步加温下,2006年的成长幅度则跃居第二。而来自新的12吋晶圆厂陆续加入营运行列,以及既有产能持续扩充下,半导体材料的成长率达17.6%。至于Wii、PS3等话题性产品的推出,加上2007年Windows
Vista即将上市的预期效应,IC封测厂商加速生产并带动了相关材料的景气,使得IC构装材料较前一年成长16.3%。
展望2007年全球电子材料的市场规模,可望扩增至877亿美元,成长率达10.7%之谱。各电子材料产业市场规模的大小,则一如2006年,其排名未有改变;但各产业所占份额,则有些许变动,亦即半导体材料将由原来27.2%比重微降至26.8%,平面显示器材料则略增1%左右。至于各产业在2007年的成长表现,仍以平面显示器相关材料的成长幅度最高(15.4%),但似乎不若2006年的成长来得亮丽。
综观至2009年各电子材料产业在需求市场的表现,预测仍以平面显示器相关材料(TFT-LCD、PDP、OLED等材料)的表现最是亮眼,2005~2009年该材料的年复合成长率(CAGR)约近18%左右;其次是半导体材料与印刷电路板材料都在11%上下;能源材料则在油价高涨、能源短缺,促使各国纷纷投入能源产业开发的影响效益下,未来的成长潜力亦不容小歔。预估全球总体电子材料2005~2009年的年复合成长率为12.2%。
表 全球电子材料产业市场现况与预测(单位:百万美元)
项目 2005 2006 2007(e) 2008(f) 2009(f) 2005-2009平均增长率
半导体材料 18309 21537 23509 26597 27849 11.1%
IC构装材料 12207 14191 15269 16205 16884 8.4%
平面显示器材料17287 22246 25683 29373 33155 17.7%
印刷电路板材料11084 13372 14639 15664 16693 10.8%
能源材料 5681 6379 7007 7815 8368 10.2%
光碟材料 1503 1556 1634 1683 1725 3.5%
总计 66071 79281 87741 97337 104674 12.2%
我国硅材料行业经过40多年的发展已取得很大进展,但是仍旧无法满足国内市场的需求,供需缺口很大,已严重制约着我国集成电路和太阳能电池产业的发展。我国硅单晶材料以5英寸、6英寸为主,其生产能力在1500吨左右,8英寸、12英寸硅单晶及抛光片,虽已具有小批量生产能力,但尚未应用于集成电路制造。硅外延材料产品主要是4英寸和5英寸的,6英寸外延片还未实现量产,8英寸硅外延片尚处起步阶段。8英寸、12英寸硅抛光片和外延片几乎全部依赖进口。我国SOI(主要是SIMOX圆片技术)研发虽有一定的基础,但在8英寸以上SOI圆片制造方面仍是空白。国内在SiGe异质结外延材料生长和SiGe-HBT等器件与电路研发的技术水平,特别是生产水平与国外差距很大。
按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》以及微电子强国建议的目标,在2010年左右我国要从集成电路消费大国成为生产大国,2020~2025年迈入集成电路产业强国的要求,到2010年,就至少要建设8~10条8英寸和8~12条、月生产能力3万片的ICs生产线;在其后的十年左右时间内,还应再建设一批8英寸、12英寸生产线。这对我国硅及其微电子配套材料发展相对滞后的现状是一个非常严峻的挑战。
从材料体系上看,除硅和硅基材料作为当代微电子技术的基础在21世纪中叶不会改变之外,化合物半导体微结构材料以其优异的光电性质在高速、低功耗、低噪音器件和电路,特别是光电子器件、光电集成和光子集成等方面发挥着越来越重要的作用;与此同时,近年来硅基高效发光研究取得的重大进展使人们看到了硅基光电集成的曙光。有机半导体发光材料以其低廉的成本和良好的柔性,已成为全色高亮度发光材料研发的另一个重要发展方向,可以预料它将成为下一代平板显示材料的佼佼者。GaN基紫、蓝、绿异质结构发光材料和器件的研制成功,不仅将使光存储密度成倍增长,而更重要的是它将会引起照明光源的革命,社会经济效益巨大。航空、航天以及国防建设的要求推动了宽带隙、高温微电子材料和中远红外激光材料的发展。探索低维结构材料的量子效应及其在未来纳米电子学和纳米光子学方面的应用,特别是基于单光子光源的量子通信技术,基于固态量子比特的量子计算和无机/有机/生命体复合功能结构材料与器件发展应用,已成为材料科学目前最活跃的研究领域,并极有可能触发新的技术革命,从而彻底改变人类的生产和生活方式。
另外,从半导体异质结构材料生长制备技术发展的角度看,已由晶格匹配、小失配材料体系向应变补偿和大失配异质结构材料体系发展。如何避免和消除大失配异质结构材料体系在界面处存在的大量位错和缺陷,是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题之一,它的解决将为材料科学工作者提供一个广阔的创新空间。