Ceramica elettronica: lo 'strumento diamantato' che guida il mercato da trilioni di yuan dell'industria elettronica

La ceramica avanzata è un ramo importante dell’industria dei nuovi materiali. I campi della ceramica strutturale ad alta resistenza e della ceramica funzionale multiproprietà si stanno espandendo rapidamente. Tra questi, la ceramica funzionale rappresenta circa il 75% della ceramica avanzata e la ceramica elettronica ad alta precisione costituisce l'80% della ceramica funzionale. Beneficiando della crescita della domanda del mercato manifatturiero di fascia alta e dei nuovi incentivi politici per l’industria dei materiali, la dimensione del mercato della ceramica elettronica è costantemente aumentata.

Le ceramiche elettroniche e i componenti miniaturizzati rappresentano una parte importante del sostegno allo sviluppo di industrie strategiche ad alta tecnologia. Ad esempio, in settori quali la comunicazione 5G, l’intelligenza artificiale, i veicoli a nuova energia, l’automazione industriale e l’elettronica di consumo intelligente, la domanda di componenti elettronici ad alte prestazioni e altamente affidabili è in continuo aumento e la dimensione del mercato ha raggiunto trilioni di dollari. Diversi importanti centri di produzione e produzione di ceramiche e componenti elettronici sono emersi a livello internazionale e la concorrenza sta diventando sempre più agguerrita. Essendo uno dei centri globali di produzione elettronica, la Cina si trova ad affrontare le sfide dei concorrenti internazionali. Pertanto, è necessario aumentare continuamente gli investimenti e gli sforzi di ricerca e sviluppo nel campo delle ceramiche e dei componenti elettronici per migliorare la propria competitività nel mercato globale.

1. Comprendere la ceramica elettronica

La definizione e classificazione delle ceramiche elettroniche

In generale, con ceramica elettronica ci si riferisce a 'materiali inorganici non metallici che vengono lavorati attraverso il raffinamento artificiale di polveri inorganiche, con un design strutturale specifico, una composizione chimica precisa, processi integrati di stampaggio-sinterizzazione appropriati e procedure di cottura per ottenere proprietà specifiche. Dopo la lavorazione, raggiungono la precisione dimensionale richiesta per l'uso.' Questi materiali possiedono proprietà dielettriche uniche, proprietà elettriche, ottiche, magnetiche e di altro tipo, nonché elevata durezza, resistenza all'usura ed elevata tenacità alla frattura, svolgendo così un ruolo cruciale nei campi dell'elettronica, delle comunicazioni, automazione, conversione e stoccaggio dell’energia.

In termini di applicazione, la ceramica elettronica può essere classificata in cinque categorie: ceramica per dispositivi isolanti, ceramica con conduttore ionico veloce (ceramica ionica), ceramica semiconduttrice, ceramica funzionale piezoelettrica e ceramica per condensatori ad alta costante dielettrica. Nella tabella sottostante sono riportati i principali componenti, le caratteristiche di stabilità alla temperatura, le caratteristiche ed i principali campi di applicazione di ciascuna tipologia di ceramica.

La parte a monte è costituita dai fornitori di materie prime e attrezzature. Le materie prime coinvolte rientrano principalmente in tre categorie:

① Le polveri ceramiche elettroniche come l'allumina ad elevata purezza e la zirconia stabilizzata con ittrio sono state parzialmente sostituite da prodotti domestici. Tuttavia, ci sono ancora molti tipi di polveri ceramiche elettroniche che non possono eguagliare i parametri di riferimento esteri ad alte prestazioni (controparti straniere) e vengono principalmente importati.

② Le paste come le paste d'argento a bassa resistività e le paste di metalli preziosi sono per lo più importate.

③ I prodotti chimici vengono importati principalmente da imprese americane. Le apparecchiature utilizzate per la produzione di ceramica elettronica comprendono principalmente apparecchiature per la sintesi di polveri ceramiche elettroniche su scala nanometrica, estrusori di pellicola ceramica elettronica di precisione, apparecchiature di pressatura a caldo e sinterizzazione a controllo atmosferico, macchine per il taglio laser, ecc. Alcuni di questi dispositivi sono già stati prodotti a livello nazionale, riducendo la dipendenza dalle importazioni.

I principali partecipanti alle imprese manifatturiere di ceramica elettronica midstream comprendono imprese finanziate dall'estero, grandi imprese statali e piccole e medie imprese private. Si impegnano principalmente nella ricerca e sviluppo, lavorazione e vendita di componenti e prodotti elettronici in ceramica. Le imprese coinvolte nella catena industriale intermedia sono tutte imprese ad alta intensità di capitale e di tecnologia. Durante il processo di ricerca e produzione, a causa del processo di preparazione relativamente complesso della ceramica elettronica, il raggiungimento di scoperte innovative tecnologiche richiede il supporto di tecnici di ricerca e sviluppo e apparecchiature automatizzate ad alta precisione. Durante il processo di preparazione, ciascun collegamento influenzerà le prestazioni dei materiali ceramici elettronici e le barriere del settore sono relativamente elevate. Pertanto, per ridurre i costi è necessaria una gestione integrata su larga scala.

Il downstream si applica principalmente all'elettronica di consumo terminale, alla comunicazione dell'informazione, all'industria automobilistica, alle nuove energie, ai settori aerospaziale e militare, ecc. Essendo uno dei materiali strategici chiave richiesti per lo sviluppo del settore cinese della tecnologia dell'informazione di nuova generazione, i suoi campi di applicazione continueranno ad espandersi e la domanda continuerà ad aumentare. La rapida crescita dell’industria a valle guiderà la rapida crescita della domanda di componenti elettronici legati alla ceramica.

2. L’ enorme domanda ha dato origine a un mercato da trilioni di dollari .

Rispetto ai materiali tradizionali, i materiali ceramici elettronici presentano vantaggi che i materiali tradizionali non possono eguagliare. I loro campi di applicazione sono in continua espansione e la domanda del mercato è in continuo aumento. Ad esempio, nel campo dei computer, dei laptop e dei tablet, per migliorare le prestazioni dei prodotti, la ceramica elettronica sostituirà inevitabilmente alcuni componenti in metallo e plastica, come negli MLCC, nei termistori e negli altoparlanti piezoelettrici in ceramica; nel campo della comunicazione, con l'applicazione diffusa della tecnologia 5G, emergerà la tendenza dell''Internet of Everything', che inevitabilmente aumenterà la domanda di componenti elettronici ceramici come sensori ottici, parti di comunicazione 5G e oscillatori a cristallo, insieme ad antenne ceramiche, filtri RF e ceramiche dielettriche a microonde; Con l’arrivo dell’intelligentizzazione nella catena dell’industria automobilistica, l’industria dell’elettronica automobilistica è in rapida crescita e la domanda di componenti elettronici in ceramica, inclusi sensori di ossigeno, accenditori ceramici e ceramiche piezoelettriche per radar a ultrasuoni, è in aumento. Il rapido sviluppo di queste industrie correlate guiderà direttamente la rapida crescita della domanda di mercato di ceramiche elettroniche, abbracciando l’intera catena industriale, dai materiali di base ai componenti di precisione.

La dimensione del mercato della ceramica elettronica in Cina è aumentata da 34,66 miliardi di yuan nel 2014 a 75,64 miliardi di yuan nel 2020, con un tasso di crescita annuo composto del 13,7%. La domanda complessiva di componenti elettronici in ceramica è in una fase di sviluppo ascendente. Nei prossimi cinque anni, con l’accelerazione della sostituzione interna dei prodotti importati, la dimensione del mercato della ceramica elettronica in Cina continuerà a mantenere un elevato trend di crescita. Secondo il bilancio dell’istituto, la dimensione del mercato della ceramica elettronica in Cina dovrebbe raggiungere i 114,5 miliardi di yuan nel 2023.

3. Le direzioni chiave dello sviluppo della ceramica elettronica ​

l Miniaturizzazione & Microminiaturizzazione

Per soddisfare le esigenze della tecnologia dell'informazione elettronica, la miniaturizzazione e la microminiaturizzazione dei dispositivi sono diventate una tendenza di sviluppo. Diversi componenti passivi basati su materiali ceramici elettronici presentano requisiti prestazionali più elevati, che rappresentano anche il collo di bottiglia che limita la realizzazione della miniaturizzazione e microminiaturizzazione dell'intera macchina. Attualmente, la domanda del mercato di componenti ceramici elettronici miniaturizzati e microminiaturizzati è molto ampia, come termistori multistrato di tipo chip, resistori sensibili alla tensione di tipo chip, trasformatori ceramici piezoelettrici multistrato, componenti di tipo induttore di tipo chip e altri esempi come condensatori ceramici di tipo chip, filtri EMI di tipo chip e micro varistori. Allo stato attuale, i componenti ceramici funzionali di tipo chip rappresentano la parte principale dei dispositivi passivi ceramici elettronici e un segmento chiave all'interno del più ampio mercato della ceramica elettronica, compresi i substrati avanzati e le ceramiche per imballaggi ermetici. Pertanto, il rafforzamento della ricerca sulla miniaturizzazione e microminiaturizzazione dei componenti ceramici è una delle direzioni chiave per lo sviluppo della ceramica elettronica.

l Seriezzazione & di frequenza ad alta frequenza

Con la miniaturizzazione e la portabilità dei dispositivi terminali di comunicazione, l'importanza delle ceramiche dielettriche a microonde ad alte prestazioni è diventata sempre più importante. Allo stesso tempo, ci sono requisiti di prestazioni più elevati per i materiali dielettrici ceramici per microonde, nonché per risonatori a microonde, condensatori per microonde e filtri per microonde, inclusi prodotti chiave come duplexer per antenne, circolatori, isolatori e substrati ad alta frequenza. Pertanto, il focus della ricerca nel campo dei nuovi componenti elettronici è quello di sviluppare materiali ceramici elettronici con frequenze di lavoro che vanno dalle serie alte, medie e basse.

l Integrazione & Modularizzazione

Con i requisiti di sviluppo di funzioni diversificate, elevata integrazione, digitalizzazione e basso costo dei prodotti elettronici, i componenti elettronici ceramici sono destinati a svilupparsi nella direzione della miniaturizzazione, dell'integrazione funzionale, della combinazione di dispositivi e del basso costo, guidando innovazioni in prodotti come dispositivi passivi integrati (IPD), moduli RF, matrici di sensori e pacchetti ceramici multistrato. Per ottenere la miniaturizzazione e l’integrazione funzionale della ceramica elettronica, la chiave risiede nella tecnologia avanzata di co-cottura di materiali eterogenei e nella tecnologia ceramica co-cotta a bassa temperatura, che sono fondamentali per produrre substrati avanzati LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) e moduli multifunzionali. Questa è attualmente un'importante direzione di ricerca nel campo della ceramica elettronica.

l Diversificazione combinatoria & funzionale

Con l'intensificarsi della concorrenza nel mercato della tecnologia dell'informazione, i componenti elettronici ceramici monofunzione non sono stati in grado di soddisfare i requisiti prestazionali. La combinazione della ceramica elettronica con altri materiali (semiconduttori, metalli, ecc.) per formare ceramica elettronica composita per soddisfare le esigenze applicative dei componenti elettronici in diversi campi come dispositivi MEMS, elettronica flessibile, elettronica strutturale e sensori biomedici è diventata una tendenza inevitabile nello sviluppo della ceramica elettronica. Pertanto, il rafforzamento dello sviluppo di ceramiche elettroniche composite è uno degli attuali obiettivi di ricerca, che fornisce un importante supporto tecnico per la dispositivizzazione delle ceramiche elettroniche e consente sistemi ibridi avanzati come compositi piezoelettrici-semiconduttori e componenti integrati ceramica-metallo.

l Senza piombo & rispettoso dell'ambiente

Per soddisfare i requisiti di sviluppo sostenibile e protezione ambientale della società umana, lo sviluppo di ceramiche elettroniche rispettose dell'ambiente è diventato uno dei focus chiave nella ricerca di materiali ceramici elettronici. Ad esempio, lo sviluppo di ceramiche piezoelettriche senza piombo come quelle basate su niobato di potassio e sodio (KNN), titanato di sodio e bismuto (BNT) o sistemi di titanato di bario per sostituire l'attuale sistema a base di piombo e zirconato titanato riveste grande importanza per le applicazioni in attuatori ecologici, raccoglitori di energia e sensori ecologici.

4.I principali problemi esistenti

A causa delle elevate barriere tecniche nella produzione di ceramiche elettroniche, compresi materiali chiave come polvere di allumina ad elevata purezza, ferriti specializzate e formulazioni dielettriche, questo settore è stato a lungo monopolizzato da aziende di Stati Uniti, Giappone ed Europa. Sebbene alcuni ceramici elettronici in Cina abbiano raggiunto un livello internazionale avanzato in termini di ricerca teorica e capacità sperimentali, rispetto ai paesi economicamente sviluppati come quelli in Europa e Giappone, sono ancora nella fase iniziale e hanno un ampio potenziale di sviluppo. Attualmente, rispetto all'estero, i problemi e le lacune esistenti nell'industria cinese della ceramica elettronica includono principalmente i seguenti quattro aspetti relativi alla produzione avanzata di componenti come chip filtro ad alta frequenza, trasduttori piezoelettrici di precisione e varistori multistrato.

l Carenze nella tecnologia per la preparazione di polveri di fascia alta

Nel processo di preparazione della ceramica elettronica, la qualità della polvere è fondamentale. Il principale collo di bottiglia che limita lo sviluppo dell’industria cinese della ceramica elettronica è la tecnologia per la preparazione di polveri ceramiche ultrafini, ad alta purezza, ad alte prestazioni, adatte per applicazioni in dielettrici MLCC, materiali per attuatori piezoelettrici e substrati di imballaggio per semiconduttori avanzati.

Attualmente, il Giappone è il più grande produttore di polveri ceramiche per l'elettronica a livello globale (con una quota di mercato di circa il 65%).

Dal punto di vista della quota di mercato globale, la tecnologia per la preparazione di polveri ceramiche elettroniche di fascia alta in Cina non è stata ancora completamente sviluppata. Si basa principalmente sulle importazioni. Ad esempio, per la polvere di allumina ad elevata purezza al 99,99% utilizzata in substrati ceramici, isolanti per candele e rivestimenti resistenti all'usura, la polvere di allumina prodotta dalle imprese giapponesi può essere sinterizzata a 1300 ℃, mentre la temperatura di sinterizzazione delle imprese nazionali deve essere superiore a 1600 ℃; per la polvere di nitruro di silicio ad elevata purezza, essenziale per componenti di motori ad alta temperatura, sfere di cuscinetti e utensili da taglio, è ancora limitata da alcune aziende e sono urgentemente necessari sforzi per migliorare la coerenza della qualità della polvere nella ricerca e sviluppo.

l Le attrezzature per la produzione della ceramica elettronica devono essere migliorate .

Sebbene il nostro Paese possa introdurre avanzate apparecchiature straniere per la produzione di ceramica elettronica per migliorare il livello della tecnologia di produzione, l’importo dell’investimento è enorme, il che in una certa misura limita lo sviluppo dell’industria nazionale della ceramica elettronica. Inoltre, le apparecchiature di produzione nazionale per ceramica elettronica nel nostro paese sono per lo più di tipo imitazione e le tecnologie di produzione chiave non sono state ancora completamente padroneggiate, con conseguente declino dell’affidabilità e della coerenza di alcuni prodotti ceramici elettronici come varistori multistrato, filtri ad alta frequenza e attuatori piezoelettrici, rendendo difficile competere con prodotti stranieri simili. Pertanto, il livello di produzione delle apparecchiature elettroniche per ceramica nel nostro paese è uno dei fattori chiave che limitano lo sviluppo dell'industria nazionale della ceramica elettronica.

l L' efficienza della trasformazione del settore dei nuovi prodotti è bassa.

Esistono oltre 200 tipologie di materiali ceramici e 2.000 tipologie di prodotti applicativi in ​​tutto il mondo. Per quanto riguarda l’industria nazionale della ceramica elettronica, la stragrande maggioranza è ancora in fase di laboratorio e vi è un notevole divario rispetto all’obiettivo dell’industrializzazione. La combinazione organica tra industria, mondo accademico e ricerca non è stata ancora raggiunta. Inoltre, alcuni prodotti sono difficili da rendere popolari a causa di problemi quali costi di produzione e affidabilità. Pertanto, la Cina deve accelerare il ritmo di recupero nella ricerca e nell’applicazione di nuovi prodotti.

l Nel settore mancano imprese leader su larga scala .

Ci sono oltre 300 imprese legate alla ceramica elettronica nel nostro Paese, ma la maggior parte sono microimprese di piccole e medie dimensioni (che rappresentano circa il 70%), con prodotti relativamente monotoni, costi di produzione elevati e scarsa competitività sul mercato. Inoltre, durante il processo di ricerca e sviluppo, manca un’innovazione indipendente; l’adozione di un approccio di sviluppo laissez-faire ha portato a un eccesso di capacità nella produzione dei prodotti. Ad esempio, negli ultimi anni si è verificato un eccesso di offerta di ceramica espansa e utensili da taglio in ceramica, che ha portato alcune piccole e medie imprese a lottare per sopravvivere e addirittura a fallire.

5. Panorama competitivo globale della ceramica elettronica

Allo stato attuale, il mercato globale della ceramica elettronica è dominato principalmente da produttori stranieri di ceramica elettronica.

Dal punto di vista dell’innovazione tecnologica, le principali tecnologie di preparazione del nucleo per materiali ceramici elettronici come la fusione avanzata del nastro, la co-combustione multistrato e la microlavorazione di precisione per componenti come filtri SAW, moduli LTCC e trasduttori piezoelettrici sono ancora controllate da produttori provenienti da Europa, Stati Uniti, Giappone e Corea del Sud. In termini di quota di mercato, le imprese giapponesi producono la maggior parte dei tipi di ceramiche elettroniche, hanno le migliori prestazioni complessive, i campi di applicazione più ampi e la produzione più ampia. Detengono un vantaggio significativo nel mercato globale della ceramica elettronica (rappresentando circa il 50% della quota); gli Stati Uniti hanno un processo di sviluppo leggermente più lento per le industrie della ceramica elettronica e rappresentano circa il 30% della quota di mercato globale della ceramica elettronica, classificandosi al secondo posto; l'Unione Europea pone maggiore enfasi sullo sviluppo di materiali ceramici elettronici a risparmio energetico e rispettosi dell'ambiente per applicazioni in celle a combustibile a ossido solido, rivestimenti a barriera termica e sensori bioceramici, e la sua quota di ceramica elettronica è circa il 10% della quota di mercato globale.

L'industria della ceramica elettronica nel nostro Paese è nata relativamente tardi e presenta ancora un divario considerevole rispetto ai paesi economicamente sviluppati come gli Stati Uniti e il Giappone. C'è ancora molta strada da fare in termini di ricerca e sviluppo della ceramica elettronica.

6.Suggerimenti per promuovere lo sviluppo dell'industria della ceramica elettronica ​

(1) Rafforzare il sostegno politico nazionale. Le tecnologie chiave delle imprese dell'industria cinese della ceramica elettronica dipendono principalmente dalle importazioni e mancano di alcune capacità di innovazione indipendenti. Ciò limiterà inevitabilmente lo sviluppo delle imprese e renderà difficile migliorare la loro competitività sul mercato dei prodotti. Pertanto, la Cina dovrebbe rafforzare ulteriormente il sostegno politico allo sviluppo della ceramica elettronica, aumentare l’attrattiva del capitale nazionale, aumentare il sostegno ai fondi di ricerca e sviluppo, coltivare i marchi cinesi, attuare la strategia delle grandi aziende e promuovere la crescita e l’espansione delle imprese nazionali.

(2) Rafforzare la ricerca di base e l'innovazione, migliorare la competitività internazionale, aumentare gli investimenti in ricercatori e fondi, rafforzare complessivamente le capacità di ricerca e sviluppo, rafforzare il contatto diretto e la collaborazione tra varie unità di ricerca, creare un organismo globale di ricerca e sviluppo basato sulla ricerca di nuovi materiali e con un forte background e capacità di ricerca nella ricerca applicativa di dispositivi focalizzata su aree come i ferroelettrici a film sottile, la ceramica a microonde ad alto Q e i compositi piezoelettrici flessibili; stabilire un meccanismo efficace in grado di trasformare tempestivamente ed efficacemente i risultati e realizzare specificamente la combinazione di cooperazione 'industria-università-ricerca'.

(3) Coordinare la pianificazione delle imprese a monte e a valle nella catena industriale dei materiali e dei componenti ceramici elettronici, dalle polveri dielettriche e nuclei di ferrite ai substrati avanzati e ai moduli funzionali integrati, rafforzare la catena di approvvigionamento delle materie prime per garantire la fornitura di precursori ceramici elettronici di elevata purezza e alta stabilità come titanato di bario, ossido di zinco e alternative al titanato di zirconato di piombo, svolgere vigorosamente la ricerca e lo sviluppo di apparecchiature di processo di fascia alta per la modellazione fine, la precisione la sinterizzazione e l'assemblaggio automatizzato, rafforzano l'innovazione indipendente nei componenti passivi come induttori a chip, filtri di soppressione EMI e oscillatori a cristallo con compensazione della temperatura e nella progettazione complessiva delle apparecchiature, e rafforzano la costruzione di standard pertinenti.