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【IC设计】稀土VS半导体,哪个更重要 ?

来源:全球半导体观察    原作者:青隐    

工业的“血液”叫石油,工业的“粮食”是芯片,而工业的“维生素”,名曰稀土。在全球的工业体系中,中东控制了“血液”,美国控制了“粮食”,而中国则占据了“维生素”大部分市场。

稀土金属是位于元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称,第一个稀土元素发现距今已有227年。之所以命名为稀土,是当时受到古希腊哲学的影响,认为世间万物皆由空气、水、火和土构成,所有氧化物都称作"土",而这种"土"非常罕见,就叫它稀土。

但事实上,随着科学的发展人类已经意识到了“稀土不稀”这个事实,比如,稀土中的铈,在地壳中的储量跟铜差不多,最罕见的稀土金属是铥,储量是黄金的200多倍。

半导体中的稀土

稀土金属,稀有金属和稀散金属共同组成了“三稀金属”,而三稀金属被应用在工业领域的各个方面,尤其是半导体产业。比如第二代半导体材料砷化镓,碲化铟,第三代半导体材料氮化镓等,此外稀土金属还在抛光、靶材、激光灯方面,以其优异的物理和化学属性发挥着巨大作用。

稀土常被用作抛光材料,氧化铈是抛光粉最常用的材料,其中高铈抛光粉主要用于石英、光学镜头等硬质玻璃长时间循环抛光;中铈抛光粉用于中等精度的光学镜头及液晶显示器等工件的抛光;低铈抛光粉主要用于平板、显像管玻璃等抛光。

在半导体靶材领域,也有稀土相关身影出现,虽然绝大多数半导体芯片的溅射靶材都是采用的铜、铝等传统金属,但仍有相当一部分采用的是钽靶、钼靶等为主。比如钼和氧化铟常被用做平板显示靶材,钽被用做芯片的靶材,钨被用作存储器芯片的靶材。

稀土的另一大用途则是在激光方面,甚至有观点认为稀土孕育了人造激光。

目前已知约有320种激光晶体,其中约290种是掺入稀土作为激活离子的,比如掺钕钇铝石榴石晶体,可以用作重复频率高的脉冲激光器,氟化锂钇可以被用作二极管泵浦的激光晶体。

在半导体制造中,激光扮演着重要角色,无论是激光切割,还是光刻机的光源。ASML的激光器是由德国通快提供的,而位于福建的福晶科技是通快的供应商。福晶科技是全球激光晶体龙头,虽然没有直接证据表明福晶科技与ASML有必然联系,但至少证明中国的稀土在全球产业链中都有举足轻重的地位。

除此之外,铽元素可以作为磁光贮存材料,并得到了大规模使用,用该材料做的磁光光盘,存储能力能够提高10~15倍;在需要放大波长1550nm光信号的电信网络中,掺铒光纤放大器是必不可少的光学器件;霍尼韦尔等企业曾用锶制作光子芯片;日本的昭和电工也曾经开发出基于钴元素的耐高温半导体材料,稀土相关金属在半导体领域可谓无处不在。

稀土与军工

半导体与稀土在很多领域都是如影随形的,比如在军工领域,没有稀土与半导体的军工,无法形成强大的威慑力。

如今,几乎所有的大中型武器都实现了电子信息化,小到夜视仪,大到飞机、坦克和航母,半导体无处不在,而稀土在特定的军事领域,也发挥着极强的作用。

根据美国国防部的相关资料称,每架隐身的F-35打击战斗机都需要920磅(417公斤)稀土材料;每艘阿利伯克级驱逐舰需要5200磅(2.4吨);一艘SSN-774弗吉尼亚级潜艇需要9200磅(4.2吨)。

在激光制导等领域,半导体常常与稀土共同出现,甚至一些武器直接是用稀土命名。比如坦克使用的掺钕钇铝石榴石激光测距机,这是现代先进坦克的标配装备,从美国的M1到英国的“挑战者”和德国的“豹2”,无一例外,它的测量距离达到20公里,精度比普通的光学测距仪高很多。

稀土与汽车

稀土和半导体的另一个大的交集则在汽车产业。汽车电子如今已经成为一个专有名词,截止目前,全球的汽车电子市场已经逼近2万亿元的市场规模,随着新能源汽车与自动驾驶技术的持续发力,汽车电子还将持续高速增长,而稀土也将迎来更大的成长空间。

稀土在汽车方面的应用也是无处不在,比如钇被用来生产紧凑型荧光灯,氧化铈以其优异的催化性能,已经可以取代传统的铂(Pt)和铑(Rh)等贵金属,用于汽车尾气处理,每年用在汽车尾气净化方面的氧化铈消耗量大约1.15万吨。

铽和镝被用来生产能在高温下良好运行的磁铁,而磁铁是汽车动力系统的重要组成部分,这些元素大部分国家都需要从中国进口,尤其是日本。

据悉,一般汽车整车有30多个部件要用到稀土永磁磁铁,而高端车更是有70多个部件需要用到稀土永磁材料,用以完成各种控制动作。

一辆高级轿车需要稀土永磁材料约0.5kg-3.5kg,在新能源汽车上这些量更大。每辆混合动力车较传统汽车要多消耗5kg钕铁硼;纯电动车中,稀土永磁电机替代传统电机要多使用5-10KG钕铁硼。

稀土VS半导体

最近几年,稀土市场会拿出来和半导体一起进行讨论。但值得注意的是,稀土与半导体在产业规模上不可相提并论。根据相关数据显示,2018年中国稀土产业链产值约900亿元人民币,而2017年,全球的半导体产值为4767亿美元,稀土与半导体的产值比起来小太多了,甚至不及半导体一个零头。

在技术上,稀土的技术门槛和涉及的上下游也和半导体差距很大。

稀土的核心门槛是精炼能力,在这方面中国是全球第一。但别国若想在技术上追平我国,或许比我们在半导体产业投入的资金与时间少许多。

在上下游产业链中,半导体牵扯到的产业链无疑更为广泛,从设计到制造、还有设备,材料等一大堆产业,就拿台积电来说,其供应商的数量就超过了3000家,稀土无疑不需要这么长的产业链条。

综述,从产业规模来说,稀土与半导体产业或许不能相提并论,但重要性而言,工业缺少“粮食”会萎缩,缺少“维生素”也会衰退,两者的区别只是在于哪种衰落的更快而已,不过由于稀土规模小,有时候可以达到四两拨千斤的效果。

封面图片来源:拍信网