国内外有机硅研发动态

2020-01-07 11:46   71次浏览

有机硅是以产品开发为重点发展起来的,对高附加值下游产品的开发是几乎所有有机硅企业的业务重点。综合国内外情况,目前有机硅下游产品的开发主要集中在以下行业。

一、微电子工业

有机硅材料因耐热、电性能优越,早就在电子工业中以双组分室温硫化硅橡胶形式作为灌注料、包封料使用。其后,单组分室温硫化硅橡胶和加成型硅橡胶又相继成为电子工业新宠。目前,随着电子工业的发展,除灌注包封材料外,还有很多种有机硅单体和特种有机硅精细化学品成为电子工业中的关键材料。

有报道称,2010年电子产品对有机硅材料的需求将占有机硅总量的18%,硅凝胶市场的年均增长率为8.3%。另有报道称美国、日本电子用有机硅材料需求年增长率分别为4.7%、6.4%,2010年市场规模将分别达到37亿美元、3.8亿美元,

1.涂覆、灌注、包封材料

1.1 发光二极管封装

当前,使用节能的发光二极管(LED)作为重要的社会节电措施成为社会关注热点,其可替代白炽灯,可用于汽车头灯照明,具有重要的节能意义,发展前景看好。发光二极管的粘结、封装、涂层或包封离不开有机硅材料。

高亮度发光二极管还被广泛用于液晶显示器的背光光源,发展潜力巨大。其对封装材料的要求很高,不但要求透明、不变色,很好的光效率,还要求散热性好、安全、高可靠。一般的环氧树脂会受热发黄,不能满足高亮度发光二极管的封装要求。而有机硅材料光学特性好,透光率90%以上,耐候、耐热,高热环境下不黄变,能吸收冲击,粘结性好、柔软,且两个液态组分混合不产生气泡,无溶剂,环保,符合封装要求。近年来跨国公司陆续推出多种该类包封料和粘结材料,按材料形态有分凝胶型 、弹性体型、树脂型(光学镜片用)等,也有不同硬度(低、中、高)系列,固化方式则有双组分室温固化型、双组分加热固化型。许多产品折射率很高(达1.53),对波长400 nm的光线可透过90%以上。

一些公司围绕增长快速的LED市场,推出了高粘度、高纯度及耐潮湿、热稳定的有机硅密封胶。还有公司开发出LED专用双组分液态有机硅高折射率、高硬度硅树脂,可以灌注和封装一起完成。还有一种专门用于LED封装,透明、厚密封的封装胶是用含有若干个乙烯基的聚硅倍半氧烷(用乙烯基三甲氧剂硅烷与其他烷基三甲氧剂硅烷做成)与甲基氢四环体作用再加热固化制成的。

1.2 液晶面板薄膜晶体管(TFT)平面化

液晶面板薄膜晶体管平面化也是研究热点,它需要新型透光性涂覆材料。传统的透明涂覆材料一般是丙烯酸酯系,但丙烯酸酯系在受热后会变黄,而有机硅材料受热后不会发黄,且透明性好、耐久,用其涂覆的液晶面板对比度好,也不会因凹凸原因使液晶配向混乱导致对比度差而影响性能。数据显示,聚硅氧烷系列材料在波长400 nm时透过率达98%,而丙烯酸酯系为88%。

因液晶面板薄膜晶体管平面化是热点,所以各公司竞相推出新产品,竞争十分激烈。有家公司推出了耐热、机械强度好、价格低的双组分凝胶,不但适用于电子工业,而且适用于汽车、航天、通讯等领域。

1.3 散热用硅材料

散热用硅橡胶方面研究较多:如用于CPU发热体与散热体间的热传导材料等。该类材料耐热性好,有长期稳定良好的绝缘性、难燃性。还可用于家电、游戏机、汽车电器等。

超低硬度散热用硅橡胶的硬度可以做到只有传统产品的1/10,导热率高,在凹凸表面接触好,有的品种的导热率2.7 W/mk,厚度一般为0.5~5 mm。

1.4 光刻胶

有两家公司合作开发了含大量硅的光刻胶,这对光刻胶行业来说是个突破。该类光刻胶是两家公司用各自特有的聚合物及光敏材料共同生产的,解决了过去使用单纯的硅材料会放出气体的问题。据称该产品主要用于65 nm芯片。

此外,有材料显示可将硅材料用于可充电电池,包括阳极和阴极膜,能增强电池的电量和安全性,该领域已有人用含环氧基的三甲氧剂硅烷和四乙氧基硅烷与聚苯并咪唑做成铸膜。

2.电子工业用有机硅单体

为使半导体器件小型化,须千方百计降低k值,以提高信号处理速度,降低能耗。这一领域使用了多种有机硅单体。主要有:

2.1 三甲基硅烷(CH3)3SiH

三甲基硅烷单体(3MS)是制作以硅为基础的低k值(k=2.7或2.2)的层间绝缘物(ILD)和扩散阻隔膜的原料,使用三甲基硅烷单体对环境无害、价廉。先进半导体器件低k值内层绝缘主要用于制造线宽90 nm的器件。有公司已在进行数十吨规模的三甲基硅烷的生产。

2.2 聚硅氮烷(PHPS)

聚硅氮烷具有玻璃的性能,收缩率小,高透明,耐热,光滑,耐磨,主要用于半导体,它在半导体底材上能形成浅沟,适用于半导体工业65nm以下的线条,还可作汽车保护涂料,防污、外墙涂料等许多用途。由于存储器等先进半导体器件的需求扩大,其用量增长迅猛,有公司聚硅氮烷产能近年来已扩大了5倍。

2.3 四甲基环四硅氧烷

线条宽度90 nm和65 nm芯片制作中的低k材料,仍广泛使用前(驱)体为Me3SiH或四甲基环四硅氧烷的掺碳的二氧化硅。用CVD法沉积四甲基环四硅氧烷获得的硅芯片k值约为3。

2.4 甲基二乙氧基硅烷

有公司用甲基二乙氧基硅烷做成多孔的低k材料。(porous diethoxymethylsilane)CVD法沉积甲基二乙氧基硅烷时使用有机致孔剂萜品烯(porogen(poro-generating materials)如α-terpinene(萜品烯,松油烯)),再通过紫外线固化烧掉致孔剂留下孔,使k值低于2.5。有的公司已将此技术用于下一代32 nm的芯片开发,预计2009年推出产品。

2.5 聚硅倍半氧烷(POSS)

聚硅倍半氧烷或称多面体笼形聚硅倍半氧烷(RSiO1.5)n是一类属于“纳米”材料范畴的有机-无机杂化物。聚硅倍半氧烷中Si-Si的距离为 ~ 0.5 nm;R-R的距离为 ~ 1.5 nm。这类化合物的特点是无低分子物放出、对环境无害,有固态的、也有液态的。

这种多面体聚硅倍半氧烷在上世纪末就已开发出很多用途,其添加到聚合物中可以提高聚合物的耐热性和粘弹性等,如其与聚酯相混后,聚酯的熔点、Tg、弯曲模量和强度都有提高。

对于它的研究开发仍方兴未艾,这是因为笼形聚硅倍半氧烷分子结构中R基团可以根据性能要求而随意变更,如含羟基的T8-硅倍半氧烷可作为热塑性塑料的改性剂、中间绝缘层、密封剂、涂料等。含苯基的笼形聚硅倍半氧烷可以与聚碳酸酯做成复合材料,能保持透明性,还能提高机械强度。含对硝基苯钛的笼形聚硅倍半氧烷可作为PET的催化剂。含羟基的笼形聚硅倍半氧烷也可以看作是高功能化的多元醇,可用它作为聚合物的结构单元。

笼形聚硅倍半氧烷是一类在电子等领域有很大应用前景的化学品。例如:为了制造更小的芯片,所使用的材料包含聚甲基硅倍半氧烷,也有聚氢硅倍半氧烷。一般加入致孔材料后材料k值可降至2.2;聚氢硅倍半氧烷还可作超高解析光刻胶。

目前由一家日本公司经销、美国开发的Q8系列(Q1~Q8)聚硅倍半氧烷,能制作LED封装料、光刻胶等,在日本每100克售价数万日元(合数百美元)。该公司预计到2010年销售额能达到5亿日元(约500万美元),足以说明其作用。

3.研发新动向

3.1碳化硅

一些跨国公司正着力研究碳化硅(SiC)材料,并使之工业化,这类材料是宽带隙器件的重要材料,可用于雷达、手机制造等,将成为下一代功率半导体元件的原料。其主要原料是硅烷。单硅烷在电子工业早有应用,包括制聚硅烷、氧化硅、氮化硅等。

主要跨国公司与电子信息工业的合作反映出其发展重点正放到以硅为原料的材料和电子工业所需的硅化合物。

3.2 有机发光材料

据报道,有机发光材料的研究开发也包含有机硅材料的研究。如含咔唑的聚有机硅氧烷的高效持久场致发光器件;有发光性(发绿/黄谱)的六甲基二硅氧烷等离子沉积膜;蒽的硅烷基化衍生物用作发光化合物、荧光发光体主体,电子输送材料,可制作场效应管,有机薄膜晶体管、有机集成电路、有机太阳能电池、有机电发光器件等。

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