Dentro del ecosistema de la industria de semiconductores, los equipos de fabricación de semiconductores constituyen su pilar central y ocupan una posición fundamental. Según el informe de previsión total de equipos semiconductores de mitad de año de SEMI, se ha emitido una señal de alto crecimiento de la industria. Los datos muestran que se prevé que las ventas globales totales de equipos de fabricación de semiconductores (OEM) alcancen los 165.900 millones de dólares en 2026, un aumento interanual del 23,2%, estableciendo un nuevo récord histórico. Se espera que este impulso de crecimiento de la industria continúe, y se pronostica que las ventas globales de equipos superarán los $229,5 mil millones para 2028, logrando cinco años consecutivos de crecimiento constante.
Esta rápida expansión de la industria está impulsando los equipos de fabricación de semiconductores hacia una complejidad y precisión cada vez mayores en el diseño y la fabricación. En este proceso, las cerámicas de alto-rendimiento, como material componente crítico, desempeñan un papel clave en la fabricación de semiconductores. La I+D y la producción de componentes cerámicos de alto-rendimiento están directamente relacionadas con el sólido desarrollo y el avance tecnológico de la cadena de suministro de semiconductores.
Los materiales cerámicos de alto-rendimiento poseen excelentes propiedades integrales, como alta resistencia, alta dureza, alta resistencia al desgaste, alto aislamiento eléctrico, baja expansión térmica, alta resistencia a la corrosión y alta estabilidad química. En la fabricación de semiconductores, se pueden utilizar como componentes para equipos como placas de pulido, plataformas acondicionadoras de almohadillas de pulido, platos de vacío, calentadores y platos electrostáticos.
Componentes cerámicos-de alto rendimiento para la fabricación de semiconductores
Los materiales cerámicos de alto-rendimiento incluyen principalmente alúmina, nitruro de aluminio, nitruro de silicio, carburo de silicio, etc. Los diferentes materiales cerámicos tienen diferentes características, lo que da lugar a diversos escenarios de aplicación dentro del campo de los semiconductores. Entre ellas, las cerámicas de alúmina tienen una gama particularmente amplia de aplicaciones en la industria de los semiconductores.
Aplicaciones de varias cerámicas de grado-semiconductor común
Propiedades y clasificación de las cerámicas de alúmina.
Las cerámicas de alúmina son uno de los materiales aislantes clave indispensables para los equipos centrales en la fabricación de circuitos integrados. A medida que avanzan los procesos de fabricación de chips, los requisitos de pureza y rendimiento de las cerámicas de alúmina siguen aumentando. Generalmente, las cerámicas de alúmina se clasifican según su contenido de alúmina, generalmente divididas en cerámicas de alúmina de tipo -ordinaria y de alta-pureza-. El tipo ordinario- se puede subdividir aún más según el contenido de alúmina, como cerámicas con 75 % de alúmina, 96 % de alúmina y 99 % de alúmina; Las cerámicas de alúmina de alta-pureza- se refieren a materiales con un contenido de alúmina superior al 99,9 %.
Actualmente, la pureza de las cerámicas de alúmina utilizadas en equipos semiconductores es básicamente superior al 99,5%. Las cerámicas de alúmina utilizadas en aplicaciones de grabado alcanzan una pureza superior al 99,8%, llegando incluso al grado 4N (99,99%). Estos parecen transparentes o translúcidos, con indicadores de rendimiento que alcanzan el nivel de los monocristales de zafiro. Además, debido a su estructura de grano fino-, algunas propiedades como la resistencia a la flexión y la resistencia a la compresión son incluso superiores a las de los monocristales de zafiro.
Propiedades clave de las cerámicas de alúmina con diferentes contenidos de alúmina
Aplicación de cerámicas de alúmina translúcida en semiconductores
Las cerámicas de alúmina translúcidas son un tipo de cerámica de alúmina de alta-pureza. Debido a su cierta transmitancia óptica, pueden utilizarse como materiales cerámicos integrando funciones tanto funcionales como estructurales. Las características estructurales de alta densificación y mínimos poros y defectos de impurezas significan que las cerámicas de alúmina translúcidas a menudo poseen propiedades integrales más excelentes que las cerámicas de alúmina ordinarias de alta-pureza. En comparación con los monocristales de zafiro, las cerámicas de alúmina translúcidas tienen ventajas en las propiedades mecánicas y se consideran uno de los materiales cerámicos preferidos para integrar estructura y función.
Aplicaciones en equipos semiconductores
En la fabricación de semiconductores, el proceso de grabado es un paso fundamental. Específicamente, la selección de materiales para las ventanas de la cámara de grabado requiere no sólo una alta transmitancia sino también una excelente resistencia a la corrosión. Al principio se utilizaba habitualmente el cuarzo. Sin embargo, la débil resistencia a la corrosión del cuarzo lo hace propenso a dañarse y enturbiarse, lo que reduce significativamente su vida útil como ventana gráfica. Las cerámicas de alúmina translúcidas han llamado la atención debido a su excelente transmitancia óptica, excelente resistencia química y propiedades dieléctricas.
Las ventanas de cerámica de alúmina exhiben una vida útil excepcionalmente larga. La alta transmitancia óptica es su principal ventaja para esta aplicación, la alta pureza garantiza la resistencia al grabado por plasma y la alta densificación reduce la pérdida dieléctrica, minimizando la generación de calor durante el funcionamiento del equipo. Aunque las cerámicas de alúmina translúcidas funcionan bien en cuanto a resistencia al grabado con plasma, su transmitancia óptica aún está por detrás de materiales como el cuarzo. Especialmente en entornos de grabado con plasma que contienen flúor-, el Al reacciona con el F para formar compuestos AlxFy, lo que no solo acorta la vida útil de la cerámica de alúmina translúcida sino que también plantea un riesgo de contaminación de la oblea.
Aplicaciones en envases de semiconductores
En los procesos de embalaje de semiconductores, para optimizar la eficiencia de conversión fotoeléctrica de los chips LED, se imponen normas más estrictas sobre las propiedades ópticas y térmicas de los materiales de embalaje. Las cerámicas de alúmina translúcidas, como materiales de embalaje, no solo cumplen una doble función como sustratos de soporte y vías de disipación de calor, sino que también, aprovechando sus propiedades ópticas únicas, superan eficazmente el problema de la eficiencia luminosa limitada causada por las trayectorias de luz unidireccionales. Específicamente, utilizando su alta transmitancia, se emplean como sustratos transparentes y tubos transparentes, lo que permite que la luz generada por los chips LED se propague uniformemente y sin obstáculos en todas las direcciones, mejorando así significativamente la eficiencia general de extracción de luz de la iluminación LED. Además, las cerámicas de alúmina translúcidas poseen una excelente conductividad térmica a temperatura ambiente-, lo que reduce eficazmente la energía térmica generada durante el funcionamiento del chip LED, mejorando aún más el rendimiento y la estabilidad generales.
Aplicación de cerámica de alúmina translúcida en iluminación LED
En abril de 2026, Japan Fine Ceramics Co., Ltd. (JFC) anunció que había producido un prototipo de sustrato de alúmina translúcido (aproximadamente 300 mm²), un producto que se espera que experimente una demanda en continuo crecimiento en envases avanzados dentro de los procesos de fabricación de semiconductores.
Este sustrato de alúmina translúcido está hecho de alúmina de alta-pureza (más del 99,99 %) y se ha confirmado que posee tres características:
Alta transmitancia óptica en todo el rango de longitud de onda ultravioleta (UV) a infrarrojo (IR).
Alta rigidez equivalente a la del zafiro.
Excelente resistencia química.
JFC indicó que es probable que el sustrato de alúmina translúcido se aplique en módulos IGBT para empaquetado de semiconductores de alta-potencia, iluminación LED, comunicación de alta-frecuencia (5G/mmWave) y, especialmente, ofrece nuevas posibilidades para campos de comunicación óptica como Co-óptica empaquetada (CPO), brindando soporte para aplicaciones que requieren alta conductividad térmica y estabilidad mecánica/química.
Con la rápida proliferación de la IA generativa, la demanda de semiconductores de alto-rendimiento crece constantemente. Las obleas de alúmina transparentes son un tipo de oblea de soporte que se utiliza para fijar temporalmente chips semiconductores durante el proceso de integración de chiplets.
NGK Insulators, Ltd. planea triplicar su capacidad de producción de obleas de alúmina transparentes para el año fiscal 2027 para satisfacer la creciente demanda de integración de chiplets-una tecnología clave en campos avanzados como la inteligencia artificial (IA) y la conducción autónoma. A través de esta expansión, el Grupo NGK pretende establecer un sistema de suministro estable y se esfuerza por lograr ventas de 20 mil millones de yenes en el mercado de semiconductores de alto-rendimiento para el año fiscal 2030.
La oblea de alúmina transparente utiliza "HICERAM", un material cerámico de precisión translúcido desarrollado y refinado por NGK durante muchos años. "HICERAM" es un material cerámico de precisión translúcido a base de alúmina de alta-pureza (Al₂O₃). Mediante un control preciso de la pureza de la materia prima, el tamaño de grano y los procesos de sinterización, este material logra una buena translucidez en alúmina policristalina manteniendo una alta densidad. En comparación con la cerámica tradicional, demuestra un rendimiento sobresaliente en la reducción de los poros y la dispersión de la luz, lo que permite un cierto grado de transmisión de la luz y al mismo tiempo mantiene la resistencia estructural.
Para preparar cerámicas de alúmina translúcidas de alto-rendimiento, se requiere polvo de alúmina de alta-pureza con una pureza no inferior al 99,99 %. Los elementos impuros (como el silicio y el hierro) pueden formar centros de dispersión en los límites de los granos, lo que reduce gravemente la transmitancia y afecta la microestructura del material; por lo tanto, controlar el contenido de impurezas en el polvo (cuanto más bajo, mejor) es crucial. Otra cuestión clave es la dispersabilidad de las partículas de polvo. Si la aglomeración de partículas es grave, incluso el uso de materias primas con una pureza del 99,99 % no producirá cerámicas translúcidas calificadas. Además, se imponen requisitos estrictos a la actividad de sinterización del polvo de alúmina.