硅微粉的发展研究及应用前景

硅微粉

前言：

硅微粉是一类用途极为广泛的无机材料，具有介电性能优异、热膨胀系数低、导热系数小、抗腐蚀及资源丰富等特点。硅微粉优异的物理性能、极高的化学稳定性和独特的光学性质，决定了其在高新技术领域的特殊地位，硅微粉已经成为诸多高新科技领域最根底、最重要和最关键的原料。

1、硅微粉概述

1.1、硅微粉的应用背景

我们国家正面对着一个数字化、网络化和信息化的社会，当今世界的政治、经济、科技、文化和军事等领域都正在发生深刻变化。政府和学术界一致认为，创新是知识经济时代国家经济开展的主要动力，而科技创新那么是创新最重要的基石。由于新材料在开展高技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，世界各兴旺国家都非常重视它的研究开发与产业化工作。随着高新技术特别是微电子工业的迅猛开展，促进了高纯、超细与球形硅微粉需求量的增长，其年平均增长率已超过20 %。21世纪中国硅微粉产业面临着改良技术结构，提高工艺技术和装备整体水平、实现电子信息等创新技术产业配套用高技术硅微粉国产化的艰巨任务。

1.2、硅微粉产品的分类

按结构可分为结晶和熔融硅微粉，按形状又可分为角形和球形硅微粉。

、一般硅微粉

结晶硅微粉是以天然的石英石为原料。由于其外形呈无规那么状，因此又称为角形结晶硅微粉。结晶硅微粉包括普通型和非普通型，主要区别在于纯度要求。熔融硅微粉又称无定型或非晶态硅微粉。一是用精制石英砂为原料经高温熔炼〔1740℃〕等工序制备而成；二是以硅化物〔有机硅、四氯化硅、碱金属硅酸盐〕，采用化学合成方法制备而成。

按硅微粉的应用领域分类，又可分为：普通硅微粉〔PG〕、普通活性硅微粉〔PGH〕、电工级硅微粉〔DG〕、电工级活性硅微粉〔DGH〕、电子级结晶型硅微粉〔JG〕、电子级结晶型活性硅微粉〔JGH〕、电子级熔融型硅微粉〔RG〕和电子级熔融型活性硅微粉〔RGH〕。

1.2.2、球形硅微粉

球形硅微粉主要用于大规模集成电路塑封料生产及光电子工程、化学工程等领域。

因为球形硅微粉流动性好，与树脂搅拌成膜均匀，树脂添加量小，重量比可达90.5 %，硅微粉的填充率越高，就越接近单晶硅的热膨胀系数，由此生产的电子元器件质量也越好。用球形硅微粉制成的环氧塑封料应力最小，强度最高，用其封装集成电路芯片时，成品率高，并且在使用过程中不易产生机械损伤。同时，球形硅微粉摩擦系数小，模具的使用寿命可延长一倍。

1.2.3、纳米SiO2

纳米SiO2粉体具有许多奇异特性，如：小尺寸效应、外表与界面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等。在其使用过程中表现出卓越的补强性、增韧性、触变性、消光性、分散性、高介电绝缘性及高光洁性等，而被广泛用于现代工业的各个领域。

2、硅微粉产品的应用领域

2.1、一般硅微粉产品的应用领域

作为填料或辅料可用于以下方面：

陶瓷、冶金熔剂、铸造及金属外表处理；

电子元器件封装

橡胶；

工程塑料；

高档油漆、防腐涂料；

电焊条涂层；

建筑砂浆及高强混凝土骨料；

高级耐火材料；

太阳能光电池、军用天线反射罩；

牙用材料；

环保及油井加压等。

2.2、球形硅微粉产品的应用领域

超大规模和甚大规模集成电路塑封料；

超大规模电子显像；

精细化工；

可擦写光盘及大面积电子基板；

特种陶瓷及特种橡胶；

航空、航天工程等。

2.3、纳米SiO2产品的应用领域

橡胶、油漆涂料、电子封装材料、硅基基板、功能化学纤维、功能塑料、高级陶瓷、特种耐火材料、密封胶、粘结剂、化工、医药、农药、高分子复合材料、玻璃钢、化装品、油墨、农业种子处理剂及消防的干粉灭火剂等。

3、硅微粉的加工技术

3.1、生产硅微粉用硅质材料

工业上把符合质量要求的，可加工成石英砂或粉体的石英砂岩、石英岩、脉石英等岩石以及天然的石英砂统属为硅质原料。我国目前生产硅微粉的原料主要采用脉石英矿床。脉石英矿床可分为：伟晶岩型、热液石英脉型和层控型〔侧分泌或地下热水〕，而以伟晶岩型为最正确。

3.2、硅微粉加工用设备

我国目前硅微粉生产企业几乎全部套用非矿加工领域的传统设备，如粉碎、分级、提纯、枯燥等，而国外同行那么根本使用自己研发的专用设备。随着我国微电子工业、国防工业及其它高新技术的飞速开展，要求硅微粉必须满足高纯、超细及球形化的要求。所以，粉体加工过程的污染、粒度控制、纯度控制、放射性元素控制等诸多问题的解决，必须依赖于带有特定要求的专用设备的研制。

3.3、硅微粉加工的控制技术与生产环境

我国硅微粉产品质量与国外存在较大差距的原因有三：其一，缺乏专用设备；其二，极少有企业在工艺过程采用在线控制技术，根本上还是靠经验操作，这就难免造成产品质量的不稳定；其三，生产环境简陋，而国外的生产车间不仅环境整洁，而且都处于负压状态，根本上能到达10万级的洁净度。

高纯超细硅微粉主要用于超大规模集成电路的塑封料，其纯度直接影响其介电绝缘性能，是产品最关键的指标之一。表征该工程的主要理化指标为：SiO2

含量、导电离子的含量，包括：Fe3+、CI-、Na+以及水萃取液的电导率。在有条件的情况下，建议采用在线检测和自动控制，也可以采取离线手控方式。

4、硅微粉市场

4.1硅微粉市场的需求量及开展预测

据2005年初步统计，国内对普通硅微粉需求量在30万吨左右，球形硅微粉约30000吨，微纳米级SiO2粉体约5万吨。据预测，上述产品的国内销售量到2021年将分别到达80、5、12万吨。据资料显示：2005年全世界仅橡胶乘用车轮胎行业需微纳米SiO2即到达50万吨，其中欧洲约19万吨；对球形硅微粉的需求量约5万吨。上述产量的增幅大约在每年10%左右。

4.2、硅微粉潜在市场的分析

由于我国对硅微粉的应用研究滞后，所以国内的硅微粉应用领域还仅限于电工级填料，低端电子元器件封装以及冶金、陶瓷等行业。大规模集成电路用环氧塑封料中的高纯硅微粉有50%以上依赖进口，而球形硅微粉那么全部依赖进口。而目前国外的高纯超细硅微粉已普遍应用于功能橡胶、功能塑料、功能纤维、功能涂料及医药等领域，且用其对传统产品进行大规模的更新换代。作为我国支柱产业的制造业，正面临着一个技术创新的关键时刻，新材料作为高新技术的组成局部，是高新技术开展的根底先导和支柱。高技术硅微粉具有巨大的潜在市场，它的开发关系到国民经济、社会开展和国家平安，也是一项国家综合实力的标志。

4.3、国内硅微粉的生产现状

由于我国盛产石英，并且矿源分布较广，因此在全国范围内大小不同的硅微粉生产厂很多，根本上都属于乡镇企业，但绝大多数规模小、品种单一、设备简陋、工艺粗放、不具备深加工的能力，真正能够生产高纯超细硅微粉的很少。这些生产厂家主要集中于江苏省的连云港、徐州、浙江湖州以及河北、青海等地。其主打产品集中在600目以下。

受国内微电子工业飞速开展的拉动，球形硅微粉的用量与日俱增。由于国外对我国球形硅微粉生产技术与专用设备的引进实行严密垄断与封锁，国内的一些研究单位如：武汉大学、清华大学、南京大学都在着手攻关。但目前都处于科研、小试阶段。惟有江苏省连云港市晶瑞石英工业开发研究院，在国内率先采用高频等离子体制备高纯球形硅微粉获得成功，同时由该院制订出我国第一个球形硅微