Chaînes de valeur des minéraux critiques – Semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont essentiels à une économie propre et numérique. Le développement de semi-conducteurs repose sur l’approvisionnement accru de minéraux critiques provenant de sources responsables, ce qui fait de cette chaîne de valeur une priorité dans le cadre de la Stratégie canadienne sur les minéraux critiques.

Pourquoi les semi-conducteurs sont-ils importants pour le Canada?

Les semi-conducteurs sont considérés comme les « cerveaux » de l’électronique. Ils sont requis pour la production des micropuces utilisées dans la plupart des appareils électroniques et sont donc essentiels à la réussite future des industries canadiennes. Le Canada utilise les semi-conducteurs pour améliorer ce qui suit :

• les systèmes d’énergie verte;
• les véhicules à zéro émission;
• la technologie cellulaire 5G/6G;
• l’intelligence artificielle;
• l’informatique quantique;
• connectivité Internet moderne;
• d’autres technologies émergentes.

Il y a une pénurie mondiale continue de puces à semi-conducteurs qui a été exacerbée lors de la pandémie de COVID-19 et d’autres perturbations de la chaîne d’approvisionnement. La lutte pour satisfaire la demande d’un approvisionnement en puces à long terme est préoccupante, alors que la demande ne fera que croître. Cela signifie que le développement de semi-conducteurs du Canada et l’innovation connexe sont essentiels à l’économie.

Le Canada possède des pratiques environnementales, sociales et de gouvernance efficaces pour appuyer l’innovation dans le domaine des semi-conducteurs composés et veiller à ce que les matériels utilisés pour les produire sont d’origine responsable. Nous possédons également l’expertise dans les domaines suivants :

• la recherche et développement (R-D);
• la conception;
• la fabrication spécialisée;
• les techniques de conditionnement avancé;
• l’exploration minérale et les géosciences.

Comprendre la chaîne de valeur des semi-conducteurs

La chaîne de valeur mondiale des semi-conducteurs se compose de trois grandes étapes :

1. la conception;
2. la fabrication;
3. l’assemblage, la mise à l’essai et le conditionnement.

Des minéraux critiques de haute pureté sont nécessaires lorsque l’étape de la fabrication de la chaîne de valeur est atteinte.

La plupart des semi-conducteurs sont faits d’un minéral critique nommé silicium, mais les semi-conducteurs composés sont un peu différents. Les semi-conducteurs composés sont constitués de deux éléments ou plus et ils peuvent surpasser le silicium en raison de leurs propriétés, comme la puissance, la vitesse et la durabilité. L’antimoine, le gallium, le germanium et l’indium sont quelques-uns des principaux minéraux critiques utilisés pour créer les semi-conducteurs composés.

Certains des principaux défis de la production de semi-conducteurs composés sont le coût des matières premières et la complexité du processus de fabrication. Le processus peut comprendre jusqu’à 1 400 étapes et peut nécessiter jusqu’à 300 intrants de matériaux différents, y compris des minéraux critiques de haute pureté et des produits chimiques spécialisés.

Aperçu du marché mondial

Selon McKinsey & Company, les ventes de semi-conducteurs devraient passer de 600 milliards de dollars américains en 2021 à 1 billion de dollars américains en 2030. Le taux de croissance annuel global serait de 6 à 8 % par an, avec 70 % de cette croissance en provenance des secteurs de l’automobile, de l’informatique et du stockage de données, et des communications sans fil.

Selon Yole Group, le marché plus étendu des semi-conducteurs composés avait une valeur de 64 milliards de dollars en 2021 et devrait atteindre 100 milliards de dollars en 2026. La demande de gallium, un minéral composant le deuxième semi-conducteur le plus courant, soit l’arsénure de gallium, devrait se multiplier par dix entre 2020 et 2040.

L’industrie des semi-conducteurs opère en grappes régionales. En Asie-Pacifique, l’approvisionnement en matières premières est dominé par la Chine, la Russie et le Tadjikistan, tandis que la Corée du Sud, Taïwan, le Japon et la Chine sont des chefs de file en matière de fabrication; et d’assemblage, de mise à l’essai et de conditionnement. En Amérique du Nord, les entreprises américaines sont des chefs de file dans les activités de R-D et de conception, y compris le développement de la propriété intellectuelle et la R-D sur les matériaux. Dans l’Union européenne, des pays comme les Pays-Bas et l’Allemagne ont développé de l’équipement spécialisé, tel que les machines de lithographie par rayonnement ultraviolet extrême à utiliser dans la fabrication.

L’avantage canadien

L’industrie canadienne des semi-conducteurs est reconnue pour ses forces en R-D et en conception, ainsi que ses capacités de fabrication de créneaux de grande valeur et de conditionnement avancé. Cela comprend un solide réseau de centres de recherche et de laboratoires universitaires qui soutiennent des projets d’innovation jusqu’aux premières étapes de la commercialisation.

L’expertise du Canada dans ce domaine comprend ce qui suit :

• des puces et des dispositifs de communication;
• des technologies d’affichage et d’imagerie;
• des capteurs et des systèmes microélectromécaniques.

Le Canada est un chef de file mondial de l’industrie des semi-conducteurs composés. Le Centre de fabrication pour la photonique du Canada (CFPC), qui est dirigé par le Conseil national de recherches du Canada, est la seule fonderie non diversifiée de fabrication de semi-conducteurs composés de bout en bout en Amérique du Nord. Le CFPC fabrique des dispositifs à l’aide d’une variété de matériaux de semi-conducteurs composés, notamment le phosphure d’indium, l’arséniure de gallium et le nitrure de gallium.

La richesse minérale du Canada crée des possibilités de soutenir le développement et la production de semi-conducteurs composés. Le Canada produit de l’indium en plus du germanium comme sous-produit de la fusion du zinc. Le Canada produit actuellement 6 % de l’indium mondial. Le Canada renferme également 4 % des réserves mondiales d’antimoine.

Lacunes et possibilités de la chaîne de valeur du Canada

Les semi-conducteurs sont essentiels à la compétitivité économique à long terme et à la sécurité nationale de nombreux pays. Alors que la demande de semi-conducteurs continue de croître, le Canada peut utiliser diverses sources et collaborer avec des partenaires et des parties prenantes pour explorer le potentiel de ses minéraux critiques de semi-conducteurs composés, y compris les lacunes en matière de traitement.

Actuellement, le Canada produit un faible montant d’intrants en minéraux critiques nécessaires à la fabrication de semi-conducteurs composés. Bon nombre de ces minéraux critiques (p. ex., le gallium, le germanium et l’indium) sont récupérés comme sous-produits d’autres opérations minières (p. ex., la fusion du zinc), ce qui signifie que les données sur la production sont limitées. De plus, il existe peu d’entités spécialisées dans le traitement de ces minéraux critiques de haute pureté requis pour la fabrication de semi-conducteurs.

Au Canada, le gallium n’est actuellement produit que par recyclage. Il est récupéré à partir d’appareils contenant de l’arsénure de gallium (comme les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables) et des déchets générés lors des processus de fabrication. Il n’y a actuellement aucun producteur primaire de gallium au Canada, mais il y a quelques projets de pointe qui peuvent le récupérer comme coproduit.

Nous ciblons nos efforts en mettant l’accent sur l’application de technologies particulières relatives aux semi-conducteurs composés dans des secteurs où le Canada et ses alliés ont des forces et des priorités claires, tels que les secteurs des télécommunications, de l’automobile, de l’énergie renouvelable, de l’intelligence artificielle, de l’informatique quantique et de l’aérospatiale.