如果您希望可以時常見面，歡迎標星收藏哦~
半導體是經濟安全的關鍵技術，而且礦產資源極其密集。半導體存在於所有型別的電子產品中，包括智慧手機、電腦、汽車、儲能、醫療裝置、照明以及軍事和航空航天應用。四種不可或缺的礦物——鎵、鍺、鈀和矽——面臨著巨大的供應鏈風險。
在沒有替代採購的情況下，半導體供應鏈仍然高度依賴中國和其他國對家，這已經適得其反。2023年8月，中國對鎵和鍺實施了出口限制，令美國半導體行業感到震驚。中國佔全球精煉鎵產量的98% ，佔全球鍺產量的68%。與此同時，美國不生產鎵，精煉鍺產量不到全球產量的2%。美國地質調查局（USGS）估計，僅鎵供應中斷30％就可能導致美國經濟產出下降6020億美元，相當於國內生產總值（GDP）的2.1％，對經濟構成重大威脅。
半導體礦物投入
半導體控制電子裝置內的電流流動。為了實現此功能，半導體使用各種具有不同導電和絕緣特性的礦物。製造過程廣泛而複雜，需要行業專用裝置（例如光刻機）和精確工藝（例如蝕刻、封裝和清除雜質）。半導體的型別和製造階段決定了所需的礦物。例如，氟用於蝕刻和淨化，而鈦則用於高階封裝。
由於矽既可以導電，又可以半導電，甚至絕緣，因此它是晶片晶圓的最常見材料。在初始製造後，矽晶圓要經過一個稱為摻雜的過程，即加入鎵、砷、銥和磷等其他金屬，以略微改變晶圓的導電性。銅和鈷構成了將數十億個電晶體連線成一個積體電路的導線。在製造過程結束時，可能已經使用了十幾種不同的礦物來製造單個晶片。
本文重點關注鎵、鍺、鈀和矽，原因如下。首先，鎵、鍺和矽的主要應用是半導體行業，因此美國對這些礦物的需求由該行業推動。相比之下，對銅、鈦和鈷的需求則由能源、建築、汽車和航空航天工業推動。其次，這三種礦物——鎵、鍺和矽——是最常用的半導體材料，缺乏良好的替代品；砷等其他材料僅需微量用於砷化鎵 (GaAs) 晶片，而這些晶片正越來越多地被效能更高的氮化鎵 (GaN) 化合物取代。最後，美國依賴從外國進口這四種基本礦物，而它在 2022 年是銥、氟和磷的最大出口國，並且已經在印度、以色列、日本和韓國擁有大量盟友採購選擇。
考慮到這四種礦物的行業特殊性、美國對外國對手進口的依賴以及鎵、鍺、鈀和矽已經面臨或可能面臨的出口限制和供應中斷，優先考慮新的採購對於美國經濟安全至關重要。
半導體的關鍵礦物深入解讀
一、鎵
鎵是解鎖更高功率和更高頻率電子產品的關鍵。然而，由於全球生產集中在中國，且美國半導體制造業高度依賴中國進口，這種礦物也是供應鏈脆弱性最高的半導體礦物。鎵用於生產GaN和 GaAs 高效能晶片，與其他替代品相比，速度更快、電阻更低、生產成本更低。鎵是美國國防工業下一代電子裝置不可或缺的、不可替代的材料。這類晶片可用於手機、汽車、衛星和鐳射雷達感測器。如今，中國生產了全球98%的鎵，這意味著即使美國利用《晶片法案》資金將半導體制造設施遷回國內，半導體行業仍然依賴來自中國的材料。
實現鎵來源多樣化的困難主要在於這種礦物的可用性。它在地殼中極為稀有——不到百萬分之十九(ppm)——並且僅作為鋁土礦開採的副產品。美國的鋁土礦儲量很少（僅2000 萬公噸），採礦活動也很少。然而，幾內亞擁有世界上最大的鋁土礦儲量，為 74 億公噸，其次是澳大利亞（51 億公噸）和巴西（27 億公噸）。2022年，全球 64.3% 的鋁土礦出口來自幾內亞，12.0% 來自澳大利亞，9.3% 來自印度尼西亞，2.4% 來自巴西。這些出口大部分流向中國進行精煉。例如，幾內亞 81.5% 的鋁土礦出口流向中國，澳大利亞 97% 的鋁土礦出口流向中國，印度尼西亞 100% 的鋁土礦出口流向中國。
圖 1：2022 年主要鋁土礦出口國
如果美國尋求增加從中國以外的來源進口鋁土礦，私營部門將需要在鋁土礦資源豐富的盟國投資礦物精煉基礎設施，並與西方礦業公司達成承購協議。作為老牌盟友，澳大利亞將是美國開發鋁土礦到鎵精煉管道的絕佳合作伙伴。幾內亞和巴西也是鋁土礦的潛在採購合作伙伴，投資開發精煉廠可以促進這些國家的經濟發展，同時減少對中國的依賴，並將相關的供應鏈脆弱性降至最低。
圖 2：出口至中國的鋁土礦份額
二、鍺
由於電子遷移率高，鍺是高速電晶體的關鍵材料。光纖電纜製造佔鍺需求的三分之一。鍺晶片效能優異，可用於計算機處理器、紅外探測器、通訊系統和雷達系統。沒有鍺的替代品，效能會大大降低。
鍺是鋅礦石加工的副產品，並非天然金屬。地殼中鍺的含量僅為 1.5 ppm，是元素週期表中最稀有的金屬之一。除中國外，鋅儲量最大的國家包括澳大利亞、秘魯和墨西哥。
作為世界最大的精煉鍺生產國，中國約佔全球供應量的60%。自去年實施出口限制以來，鍺價格已上漲逾70%，達到每公斤 2,280 美元。美國從田納西州和阿拉斯加州的鋅礦中生產一些鍺，但其國內消費的一半以上依賴進口，主要來自中國（53%）、比利時（22%）、德國（11%）和俄羅斯（9%）。
鍺需要經過深度提煉才能成為合適的半導體材料，而鍺提煉基礎設施目前由中國主導。美國公司在證明投資新的鍺提煉產能的合理性方面面臨著重大障礙。鍺提煉成本特別高，因為這種金屬需要達到99.999%以上的純度。該過程不僅成本高昂，而且技術難度大、能源密集型。儘管中國透過減少環境和社會保障措施設法將生產成本保持在較低水平，但中國以外的製造商卻無法與之競爭。如果沒有中國競爭對手所享有的那種政府補貼，美國公司在勞動力和電力成本上漲的情況下將無法具有競爭力，因此必須採取財政激勵措施來降低經營成本。
三、鈀
鈀是六種鉑族金屬 (PGM) 之一。該族金屬的特點是熔點高、耐熱、耐腐蝕、具有催化效能。鈀用於將晶片連線到電路板的金屬連線，而鈀鍍層則用於半導體以確保使用壽命和可靠性。隨著半導體的發展和晶片變得越來越緊湊，氧化和劣化的風險也隨之上升。鈀的耐用性以及抗腐蝕和抗氧化性使其成為晶片上確保其持續效能的關鍵保護層。
美國在蒙大拿州的兩家工廠生產的鈀金僅佔全球總產量的 5%，這兩家工廠均歸南非公司 Sibanye Stillwater 所有。美國國內鈀金產量僅佔該國消費量的 16%，因此國內鈀金行業只能依賴從其他鈀金資源豐富的國家進口。
俄羅斯擁有世界上最大的鈀金儲量，僅兩個表現最好的專案就生產出全球40%以上的鈀金。2021 年，美國從俄羅斯進口了35%的鈀金。在俄羅斯 2022 年與烏克蘭發生衝突後，拜登政府警告半導體行業要實現鈀金供應鏈多元化。更糟糕的是，世界鉑金投資委員會預測2024 年鈀金短缺將達到128 萬盎司，相當於 2022 年俄羅斯總產量的三分之一以上。這些短缺主要是由於供應問題造成的，因為礦山生產商為了應對一段時間的價格低迷而進行了重組。
南非擁有世界第二大鈀金儲量，佔世界總產量的 34%。該國最大的企業 Mogalakwena 生產的鈀金佔全球總產量的 6%，由英國公司 Anglo American 所有。該行業在南非面臨著多重挑戰，包括生產成本上升、能源和運輸基礎設施故障、缺乏許可、勞資糾紛以及礦石品位下降。2021年Fraser 投資吸引力指數顯示，南非在 84 個司法管轄區中排名第 62 位，比剛果民主共和國低一位，略高於厄瓜多。該指數表明，由於上述風險，如果沒有政府主導的激勵措施，南非對西方私營部門投資來說不是一個有吸引力的選擇。
在莫加拉奎納開採一盎司鈀的總現金成本為 590 美元，而俄羅斯諾里爾斯克僅為 402 美元。隨著鈀價降至每盎司 923 美元，俄羅斯鈀礦開採業務的利潤率比英美資源集團在南非的專案高出 56%。然而，南非的採礦業務比美國的採礦業務更經濟。蒙大拿州 Sibanye Stillwater 鈀礦的 2024 年運營成本為每盎司 1,032 美元，高於目前的鈀售價。由於目前的鈀價使國內採礦業務難以為繼，美國需要激勵對南非等國家進行投資，這些國家的運營成本將比俄羅斯更具競爭力，因此專案將更有可能成功。
四、矽
矽是半導體制造中最重要的礦物，用於製造矽片，而矽片是半導體材料市場的最大份額。包含數十億個電晶體的積體電路被擠壓在不到一平方英寸的矽片上。儘管日本和韓國在全球矽晶片製造中佔大多數，但中國佔全球原矽產量的 79%，佔半導體所需超高純度多晶矽的 75%，這表明盟國需要多晶矽製造，以實現矽來源多元化並減少潛在的供應中斷。
矽是地殼中第二常見的元素，以矽砂的形式在露天礦場開採。然而，矽與氧、氧化鋁和鎂結合，因此必須經過大量精煉才能提取金屬矽並生產出高純度的多晶矽。21 世紀初，七家公司壟斷了多晶矽市場，這七家公司被稱為“七姐妹”，均位於美國、日本和德國。如今，六家公司主導著全球多晶矽供應，其中五家為中國所有。
對鎵、鍺、鈀和矽供應鏈的分析凸顯了外國對手在這些關鍵原材料生產中的主導地位，以及具有商業可行性的西方礦物精煉專案的重要性。打造一個有彈性的國內半導體行業不僅需要在下游製造業提供激勵和補貼，還需要支援盟國發展采礦和精煉能力。
確保半導體供應鏈安全
隨著美國在中國以外建立鎵、鍺、鈀和矽的替代供應鏈，它還需要瞄準礦產資源豐富、與美國利益一致、能提供經濟可行且具有成本效益的機會的國家進行投資。由於中國和俄羅斯擁有大量重要大宗商品儲備，並且是鋁土礦、鋅、鈀和矽的主要生產國，因此對美國來說，與能夠與外國對手競爭的礦產資源豐富的盟友合作至關重要。
為了確保生產鎵所需的鋁土礦，美國應該鼓勵西方國家在澳大利亞和幾內亞進行投資。澳大利亞目前是全球最大的鋁土礦生產國，但中國緊隨其後，儘管其鋁土礦儲量僅佔澳大利亞的 14%。這表明，澳大利亞有很大機會提高總產量。此外，澳大利亞目前將 97% 的鋁土礦運往中國，使中國在將鋁土礦精煉成高純度鎵方面佔據主導地位。同樣，儘管幾內亞擁有世界上最大的鋁土礦儲量，佔全球出口的近 65%，但該國將 80% 以上的鋁土礦運往中國。
澳大利亞和秘魯將成為確保鋅礦床用於生產鍺的關鍵盟友。澳大利亞擁有世界上最大的鋅儲量，估計是中國的兩倍，但目前產量不到中國產量的三分之一。秘魯的儲量較少——約為澳大利亞的四分之一——但目前鋅產量超過澳大利亞。
南非的鈀金儲量將成為制衡俄羅斯在該大宗商品領域的領先地位的關鍵，加拿大是其強大的次要資源。南非和俄羅斯的鈀金產量均佔全球總產量的 40% 左右（見表 3），儘管南非的鈀金儲量不到俄羅斯的一半。南非還具有開放貿易制度和強大的美國企業存在的獨特優勢。
最後，應進一步支援巴西和挪威的矽生產，這兩個國家目前分別佔全球矽產量的 5% 和 4%（見表 3）。中國在矽生產方面遙遙領先，因此有必要進一步投資巴西和挪威的矽專案。為了為半導體行業建立替代的矽供應鏈。
半導體精品公眾號推薦
專注半導體領域更多原創內容
關注全球半導體產業動向與趨勢
*免責宣告：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯絡半導體行業觀察。
今天是《半導體行業觀察》為您分享的第3910內容，歡迎關注。
『半導體第一垂直媒體』
實時 專業 原創 深度
公眾號ID：icbank
喜歡我們的內容就點“在看”分享給小夥伴哦
