Пассивные компоненты широко используются в электронной технике, и их производители, как и производители других типов полупроводниковых приборов, предъявляют повышенный спрос на материалы. По данным корпорации Paumanok Publications, стоимость основных материалов, потребляемых при производстве пассивных компонентов в качестве диэлектриков, электродов и т. д., в 2019 г. составит 10 млрд долл. На конденсаторы приходится до 70% спроса, остальное используется при изготовлении резисторов, магнитов, датчиков и т. д.

К сырью для изготовления конденсаторов относятся металлы, керамика, пластмассы и углерод (см. таблицу). Руды или смолы преобразуются в порошки, пасты, слитки и листы, с использованием которых в дальнейшем изготавливаются блокировочные конденсаторы, развязывающие конденсаторы, конденсаторы сглаживающих фильтров и конденсаторы цепей питания современной электроники.

Пытаясь достичь требуемой площади поверхности и емкости, производители конденсаторов используют один из трех методов –многоярусное расположение, намотка или прессование. Это позволяет максимизировать функциональность пассивных компонентов и обеспечить портативность современной электроники.
Активная площадь поверхности описанных материалов создается путем предварительной обработки сырья, в первую очередь дробления (измельчения), травления и металлизации.

Влияние материалов на издержки производства

Сырье влияет на общую стоимость производства пассивных электронных компонентов. Фактически на диэлектрические материалы, материалы электродов и материалы выводов конденсаторов приходятся наибольшие переменные затраты, связанные с производством электронных компонентов.
Любые колебания цен или ограничения доступности этих основных видов сырья могут оказать негативное влияние на величину прибыли производителей электронных компонентов. Однако производители компонентов или их клиенты (производители комплектного оборудования – OEM и поставщики услуг производства электроники – EMS) редко обладают возможностью отслеживать различные подуровни цепочки поставок в течение длительного срока.

Таблица. Основные исходные материалы, потребляемые при производстве конденсаторов (2019 г .)

Металлы и диэлектрические материалы для производства керамических конденсаторов

Металлы в керамических конденсаторах применяются для формирования электродов и выводов. Из-за специфической природы используемых металлов в 2019 г. они составили значительный сегмент спроса на материалы для пассивных компонентов. Рынок многослойных керамических конденсаторов (multilayer ceramic capacitors, MLCC) представляет собой крупнейшее подмножество поставщиков материалов с точки зрения продаж в стоимостном выражении и рентабельности.
Этот рынок делится на металлы платиновой группы (PGM) и электроды из основных металлов (BME). Электродные материалы включают палладий, палладий + серебро (PGM), никель или медь (BME). В качестве материалов выводов обычно применяются серебро или медь.
Диэлектрические материалы керамических конденсаторов формируются главным образом на соединениях карбоната бария и диоксида титана, которые смешиваются с образованием титаната бария и других диэлектрических систем согласования на основе керамики. Затем, после смешивания с различными добавками, диэлектрические материалы преобразуются в составы, обладающие рабочими характеристиками готового конденсатора. Примеры подобных составов – X5R, X6S, X7R, Y5V и COG.

Относительно маркировки можно указать следующее:

• первый символ указывает на самую низкую температуру, при которой может работать конденсатор, буква X (как в X7R и X5R) соответствует –55 °C;
• второй символ указывает на максимальную температуру (теоретический диапазон составляет от +45 до +200 °C), например 5 (как в X5R) соответствует +85 °C, а 7 (как в X7R) соответствует +125 °C;
• третий символ указывает на максимальное значение изменения емкости в температурном диапазоне компонента (маркировка R соответствует изменению ±15%,а емкость компонентов с кодом, заканчивающимся на V, может уменьшиться фактически на 82%, что объясняет, почему конденсаторы Y5V не так популярны).

В отличие от первых трех составов, предназначенных для конденсаторов 2-го класса (состав Y5V относится к 3-му классу, диапазон рабочих температур от –5 до +105 °C, изменение емкости ±22%), состав C0G предназначен для конденсаторов 1-го класса. Первый символ обозначает температурный коэффициент, второй (0) –множитель температурного коэффициента, третий –допустимое отклонение. Такие составы предназначены для конденсаторов, используемых в прецизионных цепях. В их рабочем диапазоне (–5…+125 °C) емкость практически не зависит от температуры, времени, напряжения и частоты. ТКЕ8=0±30×10–6/°C.
Переменная в системах химического согласования в конечном счете может быть определена на основе требования готового конденсатора к стабильности емкости и температуре. Тенденция за последнее десятилетие заключалась в изменении керамического состава с целью обеспечения емкости в меньшем размере корпуса конденсатора.

PGM-керамика

Керамические конденсаторы с PGM – это приборы, у которых электроды изготовлены из металлов платиновой группы с содержанием палладия (отмечается, что на основе PGM развивалась индустрия конденсаторов Германии, США, Франции и Японии). Керамические PGM-конденсаторы могут иметь 100%-ные палладиевые электроды, 70%-ные палладиевые электроды или 30%-ные палладиевые электроды, либо вариацию нагрузки с серебром в качестве баланса.
Выводы, используемые в PGM-керамических конденсаторах, в основном являются продолжением серебряных электродов, хотя небольшая доля выводов керамических конденсаторов состоит из палладия и серебра или платины и материала вывода.
Керамические диэлектрические материалы, используемые в PGM-керамических конденсаторах, обычно представляют собой твердотельные керамические материалы или некоторые вариации состава из карбоната бария и диоксида титана. На основное сырье, потребляемое при производстве PGM-керамических конденсаторов, приходится 60% общей стоимости мирового рынка этих конденсаторов. Причина – экстраординарная цена палладия в 2019 г. (почти в два раза выше, чем два года назад – около 1,5 тыс. долл. за тройскую унцию). На палладий приходится до 50% стоимости PGM-керамических конденсаторов в системах с высокой устойчивостью к воспламенению.
Подобный уровень цен является почти запретительным, в силу чего PGM-керамические конденсаторы оказываются совершенно неконкурентоспособными по сравнению с керамическими конденсаторами с электродами из основных металлов наподобие никеля.
Такие конденсаторы доминировали в 2017 г. в рентабельной части бизнеса MLCC высокой емкости. При этом проблемные участки в производстве конденсаторов (доступность сырья) в целом привели к увеличению времени выполнения заказов во всем мире. Соответственно, существующее ценообразование требует большего развития MLCC на BME.
Перспективы использования PGM-керамических конденсаторов (применяемых в таких критически важных областях, как автомобильная промышленность, авиакосмическая промышленность, медицина, нефтегазовая промышленность, космические спутники и инфраструктура) заключаются в том, что затраты будут увеличиваться в соответствии с изменчивостью цен на материалы палладиевых электродов и серебряных выводов. На эти рынки существенное воздействие оказывает конъюнктура других рынков – прежде всего рынка каталитических нейтрализаторов отработанных газов автомобилей.
Специалисты консалтинговой группы MarketEYE отмечают, что совсем недавно поставщики металлов платиновой группы интересовались, почему потребление PGM в пассивных компонентах выросло в 2019 фин. г. и почему это не было предсказано отраслевыми экспертами. Более того, фактически было предсказано обратное, и именно это создало высокую изменчивость цен на указанные металлы в июне 2019 г.
Палладий, металл платиновой группы, добывается в России и Южной Африке, а также в других регионах. Он используется в основном для изготовления автокатализаторов и ювелирных изделий. Это наиболее распространенный материал электродов в MLCC, изготовляемых с применением драгоценных металлов. Подобные конденсаторы ориентированы на рынки высоконадежных, высокотемпературных и высоковольтных применений. В 2012–2019 гг. палладий продемонстрировал крайне высокую изменчивость цен, причем в июне 2019 г. цена достигла пятилетнего максимума (рис. 1). Высокие цены на сырье влияют на себестоимость производства MLCC, что стало основным мотивирующим фактором перехода на никелевые электроды. Это наблюдается на многих рынках конечного применения (таких как оборонная, космическая и нефтегазовая электроника), где конденсаторы с никелевыми электродами ранее не использовались.

BME-MLCC-керамика

В керамических конденсаторах с BME-электродами главным образом используются никель или медь (для высокочастотных применений). Керамические конденсаторы, произведенные с электродами из никеля, требуют медных выводов. Из-за чрезвычайно высокой цены на палладий многие производители керамических конденсаторов (особенно с высоким содержанием палладия в электродах) перевели производство на электродные системы на основе никеля, в результате чего продажи этих систем растут со скоростью, превышающей темпы роста рынка в целом.
Продажи сырья для производства BME-керамических конденсаторов за последние 20 лет резко выросли. В течение следующих пяти лет они будут продолжать расти высокими темпами в силу большего внимания, уделяемого увеличению выхода годных, и повышению уровня рентабельности рынка MLCC емкостью от 470 до 1000 мкФ.

Тенденции цен на никель

Никель – основной электродный материал, потребляемый в MLCC высокой емкости. Колебания цен на никель в первую очередь обусловлены конкуренцией за металл со сталелитейной промышленностью, где он используется как легирующий элемент, способствующий повышению твердости сталей. В свою очередь, поставка никеля важна для производства X5R, X6S, Y5V и X7R MLCC – основных конденсаторов, используемых в смартфонах, планшетных ПК и телевизорах.
В целом цены на никель в период с апреля 2012 г. по июнь 2019 г. снизились (рис. 2). Долгосрочная ценовая стабильность никеля указывает на экономическую целесообразность его использования вместо палладия в электродах MLCC. Действительно, известно, что именно быстрое изменение цен на материалы в рамках существующих контрактов приводит к наибольшему ущербу в цепи поставок конденсаторов в период реализации данных контрактов.

Тенденции цен на медь

 Медные конструкционные порошки также потребляются при производстве MLCC, но как материал выводов используются совместно с электродами никелевого типа – в конструкции MLCC один основной металл необходимо сочетать с другим основным металлом. Таким образом, медь и никель представляют собой важный дуэт основных металлов. Использование меди в некоторых системах электродов MLCC обусловлено тем, что в отличие от никеля она немагнитна.
В целом цены на медь в период с апреля 2012 г. по июнь 2019 г. имели тенденцию к снижению, причем в 2019 г. они опустились до почти минимальных за последние пять лет значений (рис. 3).
Стабильность цен на медь также свидетельствует об экономической целесообразности использования BME-MLCC вместо PGM–MLCC – там, где это приемлемо.

Тантал

Согласно данным исследований корпорации Paumanok Publications, танталовые порошок конденсаторного класса и проволока являются основным сырьем, потребляемым при производстве танталовых конденсаторов. Затраты на эти материалы составляют значительную часть удельных (на единицу продукции) переменных издержек производства конденсаторов с танталовыми анодами.
Тантал добывают в виде руды, а затем продают промежуточным производителям металлического порошка тантала конденсаторного класса и проволоки, которые отделяют чистый тантал от других элементов и примесей, таких как кислород, калий, азот и т. д., поэтому конечному продукту присуща высокая степень чистоты. Танталовая проволока производится традиционными методами волочения. Порошок и проволоку продают производителям конденсаторов, которые, в свою очередь, прессуют порошок в аноды. После этого аноды отжигаются и к ним приваривается танталовая проволока. Площадь поверхности танталового анода увеличивается за счет его пористой природы (он состоит из мельчайших монокристаллических сфер).
Перспективы рынка танталовых материалов в целом положительны, поскольку на основе данного материала можно создавать конденсаторы большей емкости, чем у высокоемких BME-MLCC, рост продаж которых зиждется просто на известности их эксплуатационных характеристик, ультрамалых размерах корпусов и стабильных режимах работы в цифровой электронике.
Танталовая руда (танталит), используемая в производстве конденсаторов, в основном поступает из Центральной Африки. Другие известные месторождения находятся в Австралии, Бразилии и Канаде. Основное применение танталита – порошок металлического тантала конденсаторного качества для изготовления анодов конденсаторов.
Танталовые конденсаторы используются в коммуникационном сетевом оборудовании, смартфонах, автомобильной, медицинской и военной электронике. Общая тенденция цен на танталовую руду в период с апреля 2012 г. по июнь 2019 г. – понижение, в 2019 г. Цены снизились почти до минимума за последние пять лет (рис. 4).

Колебания цен на материалы из танталовой руды соответствуют увеличению потребления танталовых конденсаторов для компенсации дефицита BME-MLCC.

Алюминий, оксид алюминия, боксит

При производстве алюминиевых конденсаторов требуются различные исходные материалы, включая травленую анодную фольгу, травленую катодную фольгу, разделительную бумагу и электролиты (обычно этиленгликоль). Цена на эти материалы сравнительно ниже, чем на большинство равноценных (по параметрам) материалов. Самый дорогой компонент при изготовлении алюминиевых конденсаторов – травленые анодные фольги, за ними следуют травленые катодные фольги.
Этот факт объясняет, почему у большинства крупных производителей алюминиевых конденсаторов имеются собственные производственные мощности для изготовления травленых анодных и катодных фольг – в конечном итоге это помогает производителю конденсаторов контролировать затраты. Рулоны вытравленной анодной и катодной фольги скатываются вместе со специальной пропитанной электролитом бумагой, разделяющей два типа фольги, а полученная скатка помещается в алюминиевый цилиндрический корпус с присоединенными выводами и прокладками, расположенными в верхней части корпуса.
Алюминий вырабатывается из глинозема (окись алюминия), также известного как боксит. Алюминий – основной материал подложек почти всех толстопленочных бес корпусных резисторов (чип-резисторов), резисторов с аксиальными выводами и резисторов с радиальными выводами. Потребление алюминия в ближайшие годы, по всей видимости, будет демонстрировать устойчивый рост, поскольку этот металл все шире используется в кузовах автомобилей. Алюминиевые электролитические конденсаторы – важные компоненты источников питания, телевизоров, компьютеров и силовой электроники, включая системы возобновляемых источников энергии. По алюминию наблюдается избыточное предложение, его цена, хотя и подвержена колебаниям, остается относительно стабильной в течение длительного времени, при этом сейчас она значительно ниже своих максимумов 2012–2013 гг. Из-за торговой войны США и КНР в апреле 2019 г. цены резко выросли, но быстро вернулись к норме (рис. 5).

Рутений

Рутений – это драгоценный металл (подобный палладию), в основном потребляемый в кристаллах толстопленочных гибридных ИС и сетях по всему миру. Более 90% мирового объема потребления металлического рутения приходится на резисторы (наряду с некоторыми дополнительными вариантами использования в качестве катализатора крекинга, покрытия накопителей на жестких дисках и в некоторых «экзотических» химических соединениях). Этот металл очень чувствителен к любым изменениям спроса и предложения на резисторы в мировой высокотехнологичной экономике, и его значение как ориентира для текущих рыночных условий не следует упускать из виду грамотным аналитикам рынка.
В период с апреля 2012 г. по июнь 2019 г. цены на рутений были крайне нестабильными, причем их изменчивость напрямую коррелировала с дефицитом продукции на основе чип-резисторов (рис. 6). В 2018–2019 гг. цены значительно повысились – с 40 до 250 долл. за тройскую унцию, что заставило клиентов искать альтернативные конструкции резисторов, в том числе на основе никеля.

Заключение и выводы

Долгосрочная стабильность цен на никель и медь позволяет сделать вывод, что они и в дальнейшем будут использоваться в качестве электродов MLCC и материалов выводов.
Никель и медь будут по-прежнему вытеснять металлы, характеризующиеся высокой изменчивостью цен, такие как палладий. Таким образом, прослеживаются хорошие перспективы для никелевых электродных порошков и паст, медных порошков и паст для выводов, а также керамики, такой как составы X5R и X6S.
Применение тантала также будет продолжать расти в качестве альтернативного диэлектрика MLCC высокой емкости.
Изменчивость цен на палладий и рутений будет и далее отталкивать проектировщиков от использования этих металлов в электронике, а резкое повышение цен на рутений в 2019 г. заставит многих искать альтернативные конструкции компонентов, использующие вместо драгоценных металлов элементы из нихрома.

Zogbi Dennis M. Raw Materials or Passive Components: June 2019 Outlook. TTI Inc., November 7, 2019: https://www.ttiinc.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi‑20190711.html

 

Источник: Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 1 (6700) от 30 января 2020 г.
zet.instel.ru