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具国际竞争力的高纯纳米球形硅微粉生产技术——访中科院苏州纳米所李丰研究员
2019/12/31 点击 1803 次

中国粉体网讯


编者按:“2019全国石英大会”在徐州召开期间,中国粉体网邀请了来自科研院所、高等院校的多位专家学者做客“对话”栏目,就石英的深度提纯技术、高纯石英行业如何做强、粉体技术工艺的重要性以及产学研协作等一系列议题畅谈他们的看法和建议,同时也介绍了他们近期的一些科研成果。在此期间,中国粉体网记者有幸采访到来自中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的李丰研究员,李丰研究员长期致力于微纳米光电子器件及纳米材料的研究及产业化工作。以下是采访实录。



© Song Weidong / Cnpowder.com.cn
中科院苏州纳米所李丰研究员

中国粉体网:您团队所独创的,以多晶硅为原料、采用一定的工艺生产高纯纳米球形硅微粉的技术,相比现有的比较成熟的生产技术,它的最突出的优势是什么?

李丰研究员:与传统的火焰熔融法制备的高纯纳米球形硅微粉相比,首先,从原料使用方面来说,传统的火焰熔融法所用的原料是石英矿。其次,石英矿原料先期需要通过一系列的深度提纯和研磨加工制成高纯的石英粉体。最后,高纯石英粉体被喷射到火焰熔融炉里面,通过高温熔化,然后冷却,最终形成球形二氧化硅粉体,也就是球形硅微粉。如果球形硅微粉是高纯度和纳米粒径的,就被称为高纯纳米球形硅微粉。

我们的技术不采用石英矿为原料,而是以高纯多晶硅为原料。高纯多晶硅放入熔融炉中,通过高温蒸发,然后经过氧化和冷却,直接形成高纯纳米球形硅微粉。由于采用高纯多晶硅为原料,我们的生产工艺变得相对简单,无需传统的火焰熔融法必需的石英矿原料先期深度提纯和研磨加工等一系列复杂的工艺和设备。因此,与现有的方法相比在工艺原理上有本质的区别。

我们这个技术完全是自主创新的技术,其中起始原料的选择、工艺技术的开发、生产设备的制造均拥有完全的自主知识产权。这样的话,我们的技术就可以直接跟国外的先进技术进行竞争了。

中国粉体网:这项创新的技术要实现产业化还需解决哪些问题?

李研究员:我们现在是做了一个小试,小试中可以把粉体做到几十公斤甚至一吨都可以的,但产业化就不是几十公斤的问题了,而是需要数吨数吨地去做。我们现在正在做一个工作,在上海,我们通过中科院苏州纳米所与上海帕壳实业有限公司合作准备做产业化的工作,至少会做一个前期的产业化工作,就是做小批量的几吨的形式,如果做大量的话,可能需要更多的融资。因为这里面用电量比较大,主要的成本之一是能耗电费。所以我们可能会找一个电价比较便宜的地方,去实施大规模的产业化工作。

中国粉体网:集成电路覆铜板和环氧塑封料对球形硅微粉的要求有什么不同?

李研究员:集成电路覆铜板和集成电路芯片封装用环氧塑封料对球形硅微粉的要求是有一定区别的,但也有一定的联系。实际上,覆铜板是集成电路中的一个基础材料,所有芯片被封装成模块后放置在覆铜板上,覆铜板相当于连接了电路。

对芯片的封装有它特殊的要求,特别是对于高端芯片来说,现在所用的环氧塑封料中的无机填料,重量占比达到了90%,甚至达到91%,也就是大约10%的环氧树脂和90%的球形硅微粉。随着信息化时代的到来,从4G到5G,芯片的尺寸变得越来越小,对封装的要求越来越高,所以对高纯纳米球形硅微粉的要求越来越高。这也是我们做这个工作的原因。

高纯纳米球形硅微粉也可以用在覆铜板上。覆铜板有很多类型,对于许多类型的覆铜板来说,并不需要用高纯纳米球形硅微粉,只需要一般角形的硅微粉,或者结晶型的硅微粉。当然,覆铜板现在也有向越来越高端发展的趋势,比如超薄的要求等。覆铜板用硅微粉,不只可以从球形粉的角度入手,还可以考虑进行硅微粉的改性,让它跟其它树脂更容易混合。另外,覆铜板需要钻孔,而二氧化硅比较硬,为减少钻头的磨损,可进行硅微粉的改性。所以,集成电路覆铜板和集成电路芯片封装用环氧塑封料对球形硅微粉的要求是有区别的,这两者有一定的关联,但属于不同的应用领域。

中国粉体网:用您团队所研发的技术生产高纯纳米球形氧化铝粉体,是一个怎样的工艺流程?

李研究员:如果将硅材料作为一种金属来考虑的话,我们的技术实际上就是金属材料的直接蒸发和氧化制备高纯纳米球形金属氧化物粉体,二氧化硅粉体就是类似于一种金属氧化物。我们的技术是一种通用的技术,如果把高纯多晶硅材料换作高纯铝材料的话,铝蒸发以后,再与氧结合既可制备高纯纳米球形氧化铝粉体(Al2O3),在工艺原理上与生产二氧化硅粉体是没有本质区别的,只是在工艺的具体参数上需要做一些适当的调整。

中国粉体网:粉体的性质以及粉体加工工艺对于半导体集成电路芯片的制造有什么影响?

李研究员:随着芯片技术的不断发展,芯片的节点越来越小,现在10nm已经成为常态了,3nm的也已经能够做到了。这样小的节点的芯片,对于封装的要求是非常高的,因为集成电路芯片导线间距变得越来越小,对于封装用环氧塑封料中的填料二氧化硅要求非常高,首先要求它高纯,要尽可能少地含有放射性元素铀(U),因为放射性元素铀(U)会产生α射线,会影响电路误判信号。同时为了更好地封装,二氧化硅需要是球形的,并且粒径要小于1微米。高纯纳米球形硅微粉对于现代芯片的封装是非常至关重要的,我们研发的这项技术是集成电路芯片封装材料产业非常关键的技术。

(本文由中国粉体网记者依据采访视频整理而成,经李研究员审订。)

附:李丰研究员简介

李丰,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。曾先后在世界500强的美国英格索兰(Ingersoll-Rand)公司任实验室主任和美国杜邦(DuPont)公司任高级工程师。长期从事微纳米光电子器件和材料研究工作,在高功率超短脉冲光纤激光器及工业应用、半导体集成电路设计及制造工艺、LED和OLED照明和显示、纳米材料和纳米制造等技术领域拥有丰富的科学研究和在中美两国成功创办4家高新技术企业的经验。近年来在半导体领域主持开展超低功耗半导体集成电路芯片和高纯纳米球形硅微粉两项关键技术产业化工作。科学研究领域,主持和参加的国家和省部及地方各级科学研究及产业化项目超过20项,在相关技术和产业领域申请国内外专利超过100项,其中67项专利获授权,发表学术论文20余篇。

(来源:中国粉体网)


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