我国IC产业发展对高纯塑料材料的需求.doc

1、我国 IC 产业发展对高纯塑料材料的需求孙卫东 黄萍 朱道峰 刘哲伟 刘秋晨北京市塑料研究所一、前言我国信息产业规模目前仅次于美国、日本，位居世界第三。我国现已成为基于半导体技术的电子产品的全球生产基地。到 2003 年底，我国已建成集成电路生产线总数达 33 条(其中 8 吋线 6 条、6 吋线 5 条、5 吋线 7 条、4 吋线 15 条)，总生产能力超过 60 万片/月，全行业销售收入达 1.88 万亿元人民币，比 2000 年翻了一番。预计到 2005 年末，国内将建成 46 条集成电路生产线，其中包括 1 条 12 吋生产线( 生产能力 2 万片/月)，总生产能力将超过 80 万片

2、/月，即年生产能力将达到 1000 万片。近期内中芯还要建设 2 条 12 英寸的集成电路生产线。此外，和舰计划于 2005 年在苏州建设一条 12 英寸的集成电路生产线，华虹 NEC、宏力等也有建设 12 英寸的集成电路生产线的意图。预计“十一五”期间我国将会建设 58 条 12 英寸的集成电路生产线，年产量将达到 180 万片。信息产业的发展取决于半导体集成电路设计、工艺和装备技术的先进性，取决于制造产品的超净高纯、超微细、超精度，以及对微加工、微缺陷、微含量、微沾污的控制能力和检测手段。而其加工、运输过程包装容器的超净高纯是产品质量的根本保证。虽然我国半导体产业发展迅猛，超净高纯包装及运

3、输材料市场巨大需求也已形成，但始终缺乏专项系统研究，难以形成产业化规模，产品长期依耐进口，成为进一步发展降低成本的瓶颈。因此，要解决半导体行业包装容器等的问题，需要在较高的起点上，通过引进消化吸收，集合制造业、加工工艺研究、检测技术等多方面的优势，进行工程化技术体系的研究，建立生产环境控制、应用测试与分析测试体系等，以便形成专业化和规模化生产。二、集成电路产业所需塑料材料在集成电路产业中使用较为广泛的塑料制品有以下几个方面：1.硅片生产过程中使用的清洗容器、硅片运输与储存容器：主要应用在以下几方面： 用于生产线上的清洗（承载器、托架、花篮 Cassette）：此类包装容器大多采用 PFA、PV

4、DF等可热熔融加工的含氟材料及 PEEK 材料制造，注射成型加工，使用条件为强酸、强碱、高温； 用于生产线上的传递（承载器、传递架）：较多采用 PP、PEEK 等材料制造，要求尺寸稳定性好，有的有抗静电要求，注射成型生产，使用条件为常温； 用于运输、储存包装（包装盒 Wafer box）：采用 PP、PBT、PC 等材料制造。有的生产线上传递架与运输包装盒内的托架可通用。使用特点是要求材料有一定的机械强度、较高的化学纯净度，在使用过程中不造成被包装物的二次污染，使用温度为-20 70。注射成型工艺加工生产。包 装 硅 片用 的 片 盒 在 集 成 电 路 芯 片 及 硅 片 制 造 中 属 于

5、 易 耗 品 ， 使 用 多 数 都 是 一 次 性 的 ， 每 25 片 硅 片 一 个 包 装 。2.用于集成电路封装、测试和发货的导电、防热或抗静电专用承载器（IC TRAY 托盘）：采用聚苯醚（MPPE） 、聚醚醚酮（PEEK）等材料注射成型加工生产，是各种新型集成电路如BGA、PQFP、 PGA 等封装必用的包装材料，担负着安全承载（防静电）和转运昂贵集成电路的功能。使用特点为耐受 125甚至于 150不变形，外型尺寸精度为 1/1000 数量级。3.超净高纯试剂的大小包装：PP、PE、PVDF 及 PFA 等材料加工的塑料瓶及桶。常规塑料试剂包装容器生产工艺包括吹塑法、挤出-吹塑法

6、、注射 -吹塑法、挤出-拉伸- 吹塑法、注射- 拉伸-吹塑法。用于超净高纯试剂的包装及运输，使用特点是要求材料有一定的机械强度、较高的化学纯净度，在使用过程中不造成被包装物的二次污染。4.硅片生产过程中装载超净高纯试剂的运输、贮存槽罐：材料大都采用 PTFE、PFA 、材料。常规塑料槽罐生产工艺包括板材焊接、旋转成型及在金属容器中粘接耐腐蚀板材制作的防腐内衬5. 超净高纯试剂的外部配套装备（高纯水、试剂输送管道及阀门）：材料大都采用 PFA、PVDF 及 PP、PE 材料。采用挤出、注射成型等工艺生产。对这些常规的塑料加工而言，注射、挤出、吹塑等加工工艺都较为成熟。但对能够满足半导体工业的超净

7、高纯包装运输材料的生产，需要在传统的塑料工艺的基础上，对直接相关的技术进行系统的研究，以满足超净高纯包装材料的生产需要。这些技术包括以下几个方面：高纯树脂材料的合成技术；高纯度包装运输容器的制备技术（高精度加工设备、规模化的生产工艺控制） ；高洁净的生产环境控制技术；应用测试与分析检测技术等。即生产包装运输材料的生产环境不仅要求达到较高的净化程度，而且制作包装容器的树脂应具有较高的化学纯度，不会有残留的聚合物单体及催化剂、添加的抗氧剂、稳定剂、润滑剂、成核剂及其它杂质在储存存放过程中析出，造成有超净高纯要求的产品二次污染。三、国内外发展现状开发应用前景1. 硅片生产过程中使用的清洗容器、硅片运

8、输与储存容器：上个世纪八十年代美国氟器皿（FLUOROWARE） 、EMPAK 公司、日本柿崎（Makizaki Mfg） 、华尔卡等公司制成各种规格的 PFA 硅片承载器、PP 等包装盒、PFA 量杯、管子、管件等，成为集成电路制造行业清洗工具、量具及其它器件的专业供货商。1999 年，FLUOROWARE 公司和 EMPAK 公司合并，成立了英特格公司（ ENTEGRIS） ，发展成为硅片承载器及包装盒行业的垄断企业，几乎囊阔了 212 英寸硅片生产线的承载器和包装容器市场。随着国际上大尺寸硅片的开发、研制和生产，12 英寸硅片标准的制订，大尺寸硅片包装容器的设计及加工现已由英特格、柿崎、

9、信越（Shin-Etsu polymer）等公司完成，并已形成规模。所提供的产品均达到“开盒即用” ，不需要使用者二次清洗。硅片包装材料的市场空间随着电子信息技术的发展，目前正在逐渐增大，并发育成熟。它是集成电路配套材料中市场用量较大的一个品种。由于集成电路线宽的不断减小，而包装容器体积在不断加大，而允许存在的固体颗粒物直径越小（理论上允许最大颗粒直径是线宽的 1/3） ，这就对包装容器的高纯性能要求越高，加工生产难度更大。我国目前硅片主要生产厂家超过 10 家，集成电路制造超过 35 家，元器件生产厂家数千家。随着硅片产量的提高，其硅片承载器及包装容器、超净高纯试剂及清洗槽罐的使用量也逐年提

10、高。这些厂家的硅片承载器年用量达到数万件，硅片运输的包装容器年用量近40 万套，而这些现大多使用进口产品。预计我国 2005 年硅片市场需求将扩大到 1.3 亿至 2亿平方英寸，即产量增加了 23 倍，因此硅片承载器和包装容器的用量也将成倍增长，同时大尺寸产品所占比例将越来越大，且需要满足单晶硅抛光片对洁净度的要求。包装材料不同于其他材料，它的最大特点是需要占用较大的空间，这给运输搬运带来较大的问题，造成费用上涨。图 1：硅片承载器目前我国硅片包装容器还需要进口，但已经有了一些专业生产硅片包装盒、承载器的企业，可提供部分尺寸包装容器（小规格尺寸如 3 英寸、4 英寸和 5 英寸） ，但均未达到

11、洁净测试要求，所以大部分包装容器都需要进口，特别是大直径（6、8、12 英寸）的包装容器。图 2： 硅 片 包 装 容 器2.用于集成电路封装用承载器（IC TRAY ）：集成电路封装用承载器（IC TRAY 托盘）是封装、测试、发货的导电或防静电的专用容器， 随着集成电路和芯片封装技术的快速发展，对其材料的性能、质量等都提出了更高的要求。要求材料具有相当高的稳定性，不会因为收缩率、线膨胀系数和受热等发生尺寸上的微小变化；同时根据导电性的要求，加入导电碳黑或导电碳纤维及材料改性剂、稳定剂等其他添加剂；需要进行后处理工艺，以消除注射成型加工过程中产生的内应力，保证严格的尺寸稳定性及翘曲度低，其外

12、型尺寸应符合国际通用标准。使用较为普遍的 JEDEC标准规定，承载器外型尺寸长宽高为 322.6135.97.62mm，其中承载 IC 的穴位尺寸根据不同集成电路的封装尺寸而定。国外集成电路封装用承载器发展速度较快，美国、日本、韩国以及台湾地区的研究、专利及产品报道较多，美国 ITW、日本 DIC、SHINON ，台湾的日月封装公司、华塑、安靠公司等用量较大。目前国内生产封装用承载器刚刚起步，国内市场需求量在 5000 万片/年，3-4 亿人民币的需求。图 3. 集 成 电 路 封 装 专 用 承 载 器3.超净高纯试剂的大小包装：超净高纯化学试剂是半导体分立器件和集成电路制造所需的关键材料之

13、一，主要作用是清洗、氧化、腐蚀，其质量的优劣对半导体元器件和集成电路的成品率、电性能和可靠性等起着举足轻重的作用。主要品种有：过氧化氢、硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢氟酸、氟化铵、氨水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮等二十多个品种。随着 IC 集成度的不断提高，对超净高纯试剂中的可溶性杂质和固体颗粒的控制越来越严，同时对生产环境、包装方式及包装材质等提出了更高的要求。国际上 6 英寸、5 英寸以下生产线设计安装使用 1 加仑、20L 和 200L HDPE 瓶/桶，通过供药分配装置输送高纯化学品。其生产单项金属杂质10ppb，甚至达到 ppq 级别。生产厂家拥有包装容器生产的超净生产厂房保证产品的生产质

14、量，同时拥有质量控制分析检测手段，如颗粒物检测仪、ICP-MS 等高精度仪器进行产品质量管理和控制。据预测， “十五”期间国内对于超净高纯试剂的总体需求水平大约在 5 万吨/年左右，“十一五”期间，对于超净高纯试剂总需求量将突破 10 万吨/年的规模。因此试剂包装容器用量需求巨大，而我国超净高纯试剂包装容器大全部需要进口，不具备生产高洁净瓶、桶的生产技术及能力，成为其发展的瓶颈。国内生产厂家大多采用回收容器和进口容器，前者需要进行清洗，质量不确定因素较大；后者成本较高。这意味着我国超净高纯试剂包装容器领域亟待开发并具有潜力。4.硅片生产过程中装载试剂的运输、贮存槽罐：目前国外半导体工业中使用的

15、清洗、运输、贮存槽罐设备几乎全部使用高纯度PFA、PTFE 氟塑料制造。国际上 8 英寸以上生产线设计安装使用 SUS TANK LORRY/ISO CONTAINER 和 PTFE、PFA 内衬槽车、运输槽罐来输送高纯化学品。世界知名企业如日本 AICELLO、欧美 RIKUTEC、ENTEGRIS、NOWPAK 等生产高纯化学品包装容器。随着韩国、台湾等地区电子工业的蓬勃发展，也相继出现了如 AIMI-ALCELLO、台湾上品等图 4. LDPE 试剂瓶 图 5. LDPE 试剂桶高纯化学品包装生产商。容积为 1M3-20 M3 。国内生产用于化工行业的 PTFE 槽罐的加工厂家有：武汉市

16、工程氟塑料有限公司、上海上化氟材料有限公司、嘉善东方氟塑厂、无锡氟塑防腐设备厂、温州市氟塑设备制造厂等，但由于生产规模相对较小，产品质量控制难度较大等原因，均不能够用于超净高纯化学品的运输及贮存，国内全部需要进口。5. 高纯试剂输送外部配套装备（高纯水、试剂输送管道及阀门）：在硅片生产线、集成电路生产线、元器件生产及高纯试剂生产线上分布着各种粗细不同的管道、管件和阀门，用于各种超净高纯试剂、清洗溶剂、纯水输送，材质不同、品种繁杂。用于输送各种超净高纯试剂和清洗溶剂的管道大都采用推压法生产的聚四氟乙烯（PTFE）或挤出法成型的 PFA，超纯水输送管采用挤出法成型的 PVDF 管道。保证其连接的是

17、采用注射方法成型加工的 PFA、PVDF 管件和阀门。国外已有专业供货商生产销售，如美国 Swagelok 公司、乔治.费歇尔公司（Georg Fischer Piping Systems Ltd.） 、德国 GEM Gebr. Mller Apparatebau GmbH & Co. KG 等。虽然我国 PP、PE、PVC 通用塑料的管道、管件等加工技术已相当成熟，并形成规模，广泛用于建筑给排水管道、电线护套管、城市供排水管道、城市燃气管道等，预计 2005 年普及率可达 60-90%。但是，我国用于 IC 产业的超净高纯试剂输送外部配套装备全部采用进口。由于使用广泛，品种繁多，其准确用量难

18、以统计。上海华谊微电子化学品有限公司正在兴建的年产 1.5 万吨化学试剂工厂，其总投资 1.8 亿人民币中的 2 千万元用于含氟管道及其配件的进口（此处还不包括纯水的输送管道系统） ，含氟管道、管件等占到投资总额的10%左右。高纯试剂输送外部配套装备的技术发展轨迹同包装容器的区别在于基本结构形状没有大变化，只是在安全可靠性（连接方式、材料纯净度、加工环境控制等）方面提供了更多的保证。含氟塑料管道、管件等单项加工技术现已被国内一些生产厂家所掌握（推压法生产 PTFE 管、挤出法成型 PFA、PVDF 管道；注射成型生产的 PFA、PVDF 管件等） 。如天津第九塑料厂拥有推压法生产 PTFE 管

19、材的设备及加工技术；上海塑料研究所挤出 PFA 管材最大直径可到 60mm；北京市塑料研究所在国家“八五” 期间承担科技攻关项目对可熔融性氟塑料的挤出成型技术进行了深入研究，拥有挤出法生产 PFA、PVDF 管材的设备及加工技术，并拥有注射 PFA 管件的设备及加工技术。但这些企业大多没有超净加工生产经验，不具备高洁净生产环境，没有掌握全部加工及连接技术，缺乏高洁净应用测试与分析检测技术等。图 6. 运输槽罐 图 7. 含氟管道、管件该行业由于模具资金投入较大、加工技术要求高等多方面的原因，目前我国塑料加工产业未能将其技术整合提高、形成规模化量产、产品达到超净高纯，及时跟上半导体行业快速发展的步伐。四、结束语超净高纯包装材料应用前景广阔，同国外的差距较大，研究范围宽广。对于塑料加工而言，其概念是全新的：如原料的纯净度（不同于树脂的清洁度概念） 、加工成型后材料中的颗粒物析出、磨损后微粒的检测等等。这些需要加工单位同树脂合成厂家、硅片生产单位合作，解决高纯树脂材料的合成、高纯度容器制备（高精度加工设备、规模化的生产工艺控制）等课题；为满足集成电路对材料超净高纯要求，还需要保持高洁净的生产环境，建立相应的产品检验标准、超净高纯的生产工艺规范，以及应用测试与分析测试技术等。最终达到国产化目的，降低国内企业生产成本，为我国 IC 产业发展奠定基础。