垄断芯片制造关键材料,日本凭什么?

垄断芯片制造关键材料,日本凭什么?
日本材料学在芯片行业称霸,靠的不是某一家公司或机构,而是集团化作战。
最近几年,“卡脖子”是中国科技领域出现最多的词汇之一。

细看广为流传的“卡脖子”清单,我们会发现,中国被卡最严重的技术里,有一大半涉及材料领域。

我们有能力设计芯片,却造不出高纯的芯片原料;我们有能力设计发动机,却造不出耐用的缸体材料;我们有能力设计高精密机床,但却连一把高强度的刀具都搞不定。

面对这样的情况,不禁要问,中国该怎么办?

从近邻日本的材料科技发展中,或许能找到答案。

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如果单纯看材料科学的学科世界排名,好像日本和中国差不多,都仅落后于美国,但日本的材料科学应用特别好,比如金属材料学,日本是世界第一,延伸出冶金技术是世界第一,车用钢材质量世界第一。

其他像电子信息材料、纳米材料、半导体材料、碳纤维复合材料、陶瓷材料等领域,日本高校的学科排名未必世界第一,但应用领域均做到极致。

日本的材料科学到底有多厉害呢?我们来看几个例子。

先看陶瓷。

日本的陶瓷科学,一直位居世界的前沿,尤其在新型陶瓷材料,特别是先进陶瓷敏感元件等领域,占有绝对领先的优势,热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等各种先进陶瓷产品垄断全球市场。

日本村田制作所成功量产手机里的“超小型”关键电子组件——微型多层陶瓷电容器,所占空间只有原来的五分之一,但其蓄电量却是高出10倍。

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陶瓷电容

iPhone11中已经大量使用村田制作所的电容器。

不出意外的话,其他5G版手机也会很快使用这种多层陶瓷电容器。

再看抗震。

我们都知道,日本是个地震多发的国家。为了抗震,日本在材料上绞尽脑汁。

日本人用5000元1公斤的黑科技材料造了一款奇葩泡沫“乳房”,不仅绝缘隔热,还能抗7级地震!

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外形酷似乳房的泡沫抗震房

最后看芯片。

众所周知,在芯片生产中最重要的设备是光刻机,而在OLED显示屏生产中,最重要的设备则是蒸镀机。

这台设备是用来完成OLED屏最重要的一道工序:蒸镀。

而目前只有采用日本CanonTokki公司生产的蒸镀机才能蒸镀出品质最高的OLED屏幕。

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OLED屏不仅可以弯曲而且画面色彩更丰富

 

在蒸镀工序中,除了需要蒸镀机,还需要一个非常重要的小部件:蒸镀掩膜板。

这个小部件,直接决定了最终面板的分辨率,以及生产OLED面板的良率。

在市场上,同样只有一家日本公司——大日本印刷,才能生产这种最高精度的蒸镀掩膜板。

为什么这种高精度蒸镀掩膜板只有一家公司能生产呢?

这又涉及到一种特殊的金属原材料:超因瓦板。

掩膜板要经历蒸镀的高温环境,容易变形,而只有热膨胀系数接近0的超因瓦板,才能生产出符合需求的高精度蒸镀掩膜板。

巧合的是,这种特殊材料同样只有一家日本公司——日立金属才能生产。

以上,虽然我们仅就几个方面,对日本的材料科学和成果做了个浏览,但已经能看出这个国家在材料科学方面的厉害之处。

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日本的材料科学之所以牛,正是举国体制结出的硕果。

二战以后,特别是伴随着20世纪六七十年代的经济腾飞,日本的无机非金属材料产业迅速发展。

其科学研究和技术研发在产学官研的合力推动下,达到世界领先地位。

在政策层面,日本科学发展规划历来重视材料科学,特别重视基础材料科学研究的“育种”。

上世纪80年代,日本科学技术厅(后并入文部科学省)和通产省拟定的高技术规划中,在“创造科学技术推进事业”的8个项目中,新材料的基础研究占5个。

1992年,日本科学技术振兴调整费(国家给的科研经费)新增八个项目,前三个都是材料科学方面的。

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日本文部科学省官网

靠着40多年的不懈努力,日本的材料科技在全球独占鳌头。

目前,不论是传统的日用陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料,还是新型无机非金属材料,日本都位居世界前列,不少技术更在欧美之上。

进入21世纪,日本政府在第二次科技发展五年计划中提出,科学技术的三大战略任务,即:

知识创新——把科技进步作为立国之本;

知识转化——将科技进步转化为生产力,增强国际竞争力,实现可持续发展;

造福社会——依靠科技进步维护国民健康和生活质量、保障国家安全、防止灾害侵袭。

这份计划将纳米技术和材料方向称为“包含上述3个重点领域,支撑科学技术整体发展基础的重要领域,在21世纪有望成为科学技术的主干”。

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日本新世纪五年计划介绍

可见,日本是从国家的高度,倾举国之力将材料科学,作为未来发展的重心在布局。

这样的认知高度和巨大的投入,形成了日本现在在材料科学方面占据的领先优势。

除了政策扶持外,在学术研究方面,日本政府还专门牵头成立了在材料科学领域享誉全球的国立物质材料研究所。

日本国立物质材料研究所(National Institute for Material Science,NIMS),是日本唯一的专门从事材料科学的国家研究与开发机构,由日本国家金属研究所(成立于1956年)和国家无机材料研究所(成立于1966年),这两个国家研究开发机构合并而来,作为独立行政机构进行材料科学的基础研究和开发。

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日本国立材料科学研究所官网

NIMS的使命是“从材料研究创造未来”,研究方向不仅包括金属或陶瓷,还包括金属、半导体、超导体、陶瓷、有机材料和纳米材料等等,涵盖电子、光学、涂料、燃料电池、催化剂、生物技术等范围的应用。

除了直接研究材料科学之外,NIMS也进行相关的理论研究和配套的仪器技术研究,如电子显微镜、高能离子束、强磁场等技术。

总之,就是个材料科学研究的巨无霸。

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NIMS在筑波的三个分所

搞高精尖的科学研究,是需要花费巨量资金的。

日本政府投入的科研经费,也只能视为发展的种子。大部分经费来源还是要民间,尤其来自各大财团的大力投入。

日本新材料企业KUREHA、可乐丽(KURARAY)和伊藤忠商事与日本官企投资基金-产业革新机构合作,形成合作联盟,全面推进高端新材料产业发展。

KUREHA等企业与产业革新机构共同出资成立新的高新技术投资公司,其中产业革新机构约占49%股份,KUREHA等企业联合将拥有剩余股份,总投资额为200亿日元。

企业之间的合作也不少。

比如在碳纤维行业,日本较早形成了产业联盟,联盟成员覆盖了整个碳纤维产业链,能够全面了解产业中存在的问题和需求,有效服务于产业的各个环节。

有政策扶持,有科研平台,有资金支持,有联盟合作,日本的材料科学就是这样做强做大的。

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无利不起早,大财团投入这么多,肯定是要进行产业化的,把材料科学的用途发挥到最大。

想要产业化,只有研发远远不够,还必须有相关的配套产业,才能让科研成果转化成实际的产品。

具体到制造过程,一定涉及到方方面面的技术融合、设备仪器、不同材料的成熟使用。

没有配套的产业,是不可能仅凭研发就得到好产品的。同时,研发也需要进行市场化的检验,以促进研发的快速迭代。

比如集成电路产业,从纯净的硅片到完整的产品,至少需要2000步,如果每一步的良品率都有99.99%,两千步下来就仅剩不到82%。

这样低的良品率,做任何制造都是要亏本的。

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集成电路

日本的材料产业到底有多牛?咱们看看集成电路产业就知道了。

集成电路材料是集成电路产业发展的基础。

集成电路技术每前进一步都会对材料提出新的要求,而材料技术的每一次发展也都为集成电路新结构和新技术提供基础。

先来看看集成电路衬底材料。

全球硅片的供应商,主要有日本的信越化学和胜高、德国的世创、中国台湾的环球晶圆以及韩国的SKSiltron,这全球前五大公司的市场份额约92%,其中12英寸硅片市场的份额约98%。

再看光刻胶和配套材料。

全球光刻胶市场基本被日本JSR、东京应化、住友化学、信越化学、日本TOK、美国陶氏杜邦、德国默克等几家大型企业所垄断,市场份额占比九成以上。

除此之外,还有湿化学品。

日本企业拥有28%的市场份额,代表性公司包括关东化学、三菱化学、三菱瓦斯、东京应化等。

还有其他,比如掩模版、电子气体和源、抛光材料、靶材及蒸发材料等生产环节上,日本在每个环节都有好几个世界知名的大公司。

所以说,日本材料学在芯片行业称霸,靠的不是某一家公司或机构,而是集团化作战。

垄断芯片制造关键材料,日本凭什么?

新材料是现代工业的先导,已成为当今世界各国必争的战略性新兴产业,具有知识密集、技术密集、资金密集的特点,其研发水平和产业化规模已成为衡量一个国家科技进步、经济社会发展和国防实力的重要标准。

虽然在材料技术方面,咱们和日韩欧美仍存在着不小的差距,但中国已经在迎头追赶。

科研方面,中国已成为材料学领域一支强大的科研力量。

根据自然指数的统计,我国论文数量在2018年首次超过美国。

材料学领域,论文贡献最多的100家科研机构中,有35家为美国科研机构;中国居第二位,有34家机构上榜。

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自然指数官网

产业方面,我们也在加大投入,市场逐步扩大。

根据前瞻产业研究院发布的《中国新材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》统计数据显示,2010年我国新材料产业总产值仅仅为0.6万亿元,2017年增长至2.6万亿元,2020年总产值超过6万亿元。

当然,必须要看到,我们仍然还有很多短板。

比如在新科技高品质的材料方面,我们仍然很落后,没有掌握核心技术和专利,目前主要以仿制为主。

这也将是我国材料产业在短期内必须要迈过的一个坎。

这个坎迈过了,我们将迎来一片新天地。