Was ist der aktuelle Entwicklungsstand und die Anwendungsaussichten der Kugelsilicon-Mikropulverindustrie?

Sphärisches Silizium-Mikropulver ist ein anorganisches nicht-metallisches Material mit einer Maschen- und Flokkulenten-Quasi-Partikelstruktur. Es besitzt einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, geringe Spannungs concentration, niedrigen Reibungskoeffizienten, gute Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete chemische Stabilität, gute Dispergierbarkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit, unter anderem. In den letzten Jahren hat es in aufstrebenden Bereichen wie Luft- und Raumfahrt sowie der Verpackung großskaliger integrierter Schaltkreise Aufmerksamkeit erlangt. Dank seiner herausragenden Eigenschaften und breiten Anwendungsaussichten ist sphärisches Silizium-Mikropulver zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich neuer Materialien geworden.

Es gibt verschiedene Arten von kugelförmigem Silizium-Mikropulver. Die gebräuchlichste Klassifizierung basiert auf dem Gehalt des radioaktiven Elements Uran (U) und unterteilt es in kugelförmiges Siliziumpulver mit niedriger Strahlung und allgemeines kugelförmiges Siliziumpulver. Gängige Herstellungsverfahren umfassen das Flammenverfahren, das chemische Fällungsverfahren, das Gasphasenverfahren und das Plasmaverfahren.

Aktueller Status der sphärischen Silizium-Mikropulverindustrie

In den 1980er Jahren begann Japan mit der Entwicklung von kugelförmigem Silizium-Mikropulver, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf dem Flammenpräparationsverfahren lag. Bis Anfang der 2000er Jahre erreichte Japan eine jährliche Produktionskapazität von 10.000 Tonnen. Kugelförmiges Silizium-Mikropulver wird seitdem breit in groß angelegten integrierten Schaltkreisen, der Luft- und Raumfahrt sowie bei der Herstellung spezieller Materialien eingesetzt. Führende Unternehmen in diesem Bereich sind Shin-Etsu, Toshiba Melting und Admatechs, die zusammen etwa 70 % des globalen Marktes für kugelförmiges Silizium-Mikropulver ausmachen. Bemerkenswert ist, dass Admatechs den Markt für kugelförmiges Silizium-Mikropulver mit Partikelgrößen unter 1 µm nahezu monopolisiert hat.

Amerikanische Unternehmen haben Produkte mit hohen Spheroidisierungsraten, glatten Oberflächen und ausgezeichneter Kugelheit entwickelt. Sie verwenden hauptsächlich das Hochtemperatur-Schmelz-Sprühspheroidisierungsverfahren, bei dem hochreines Quarz als Rohstoff eingesetzt wird. Bei Temperaturen über 2000°C wird Quarz in flüssiger Form geschmolzen, dann versprüht und abgekühlt, um das Endprodukt zu erzeugen.

Aufgrund der breiten Anwendungsperspektiven von sphärischem Silizium-Mikropulver in Hochtechnologiebereichen haben ausländische Unternehmen strenge Technologiebeschränkungen umgesetzt. Währenddessen schreitet die Entwicklung der sphärischen Silizium-Mikropulver-Technologie in Deutschland rasch voran. Die Herstellung von hochreinem sphärischem Silizium-Mikropulver in Deutschland konzentriert sich auf Gebiete wie Huzhou (Zhejiang) und Lianyungang (Jiangsu). In den letzten Jahren haben einige inländische Unternehmen, darunter Donghai Silica Micropowder, Zhejiang Huafei Electronics und Jiangsu Lianrui New Materials, mit Forschungseinrichtungen zusammengearbeitet, um durch umfangreiche Forschung und Entwicklung ausländische Technologiebeschränkungen zu überwinden. Während bedeutende Durchbrüche in der Produktionstechnologie erzielt wurden, bestehen noch Lücken bei Produktreinheit und Partikelgröße. Derzeit machen im Inland produzierte Produkte nur etwa 15 % des High-End-Marktes aus.

Laut Daten des Marktforschungsunternehmens Mordor Intelligence belief sich die weltweite Marktgröße für Silizium-Mikropulver im Jahr 2021 auf etwa 3,96 Milliarden USD. Es wird erwartet, dass sie bis 2027 auf 5,33 Milliarden USD wächst, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,11 %.

Hauptanwendungsbereiche von kugelförmigem Siliziumpulver

Sphärisches Siliziumpulver für Kupferkaschierte Laminierungen (CCL)

In den letzten Jahren ist die Technologie anorganischer Füllstoffe zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden, um neue Produkte zu entwickeln und die Leistung von kupferkaschierten Laminaten zu verbessern. Aufgrund seiner großen Oberfläche kann kugelförmiges Silicumpulver vollständig mit Epoxidharz reagieren und bietet eine ausgezeichnete Dispersionsfähigkeit. Wenn es in Epoxidharz dispergiert wird, erhöht es die Kontaktfläche und die Bindungspunkte, wodurch die Kompatibilität zwischen den beiden Materialien verbessert wird. Zusätzlich bietet kugelförmiges Silicumpulver überlegene mechanische und elektrische Eigenschaften, was es in der Herstellung von kupferkaschierten Laminate immer beliebter macht.

Derzeit wird kugelförmiges Siliziumpulver hauptsächlich in starren CCLs verwendet, wobei es 20% bis 30% der Gesamtzusammensetzung ausmacht. Sein Einsatz in flexiblen und papierbasierten CCLs ist vergleichsweise begrenzt.

02. Kugelförmiges Siliziumpulver für Epoxidharzformmassen (EMC)

Mehr als 95% mikroelektronischer Bauteile verwenden heute Epoxidgehäusemassen. Diese Verbindungen bestehen typischerweise aus Füllstoffen (60-90%), Epoxidharz (weniger als 18%), Aushärtungsstoffen (weniger als 9%) und Additiven (etwa 3%). Die am häufigsten verwendeten Füllstoffe sind Siliciumdioxidpulver, die bis zu 90,5% der Verbindung ausmachen können. Siliciumdioxidpulver spielt eine entscheidende Rolle bei der Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, der Senkung der Dielektrizitätskonstante, dem Schutz der Umwelt, der Erreichung Flammschutz, der Reduzierung interner Spannungen, der Verhinderung von Feuchtigkeitsaufnahme, der Verstärkung der Gehäusemassen und der Senkung der Kosten für Verpackungsmaterialien.

Anforderungen an kugelförmiges Siliziumpulver in EMC-Anwendungen:

Hohe Reinheit

Hohe Reinheit ist eine grundlegende Anforderung für Materialien, die in elektronischen Produkten verwendet werden, insbesondere in ultra-großskaligen integrierten Schaltungen. Neben der Minimierung herkömmlicher Verunreinigungselemente muss der Gehalt an radioaktiven Elementen so niedrig wie möglich sein, idealerweise null.

Ultrafeine Partikelgröße und hohe Gleichmäßigkeit

Das kugelförmige Siliziumpulver, das für die Verpackung von ultra-großskaligen integrierten Schaltkreisen im Ausland verwendet wird, zeichnet sich durch feine Partikelgrößen, enge Verteilungsbereiche und ausgezeichnete Gleichmäßigkeit aus. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Partikelgröße typischerweise 1-3 µm, während sie in Japan allgemein 3-8 µm beträgt, mit einer maximalen Partikelgröße von weniger als 24 µm.

Hohe Spheroidisierungsrate und Dispergierbarkeit

Eine hohe Sphärisierungrate gewährleistet die überlegene Fließfähigkeit und Dispergierbarkeit von Füllstoffen. Hochwertige Sphärisierung sorgt dafür, dass das Produkt in Epoxidharzformmassen vollständig dispergiert wird und optimale Füllungseffekte erzielt. Ausländische Produkte erreichen typischerweise eine Sphärisierungrate von über 98%. Im Vergleich dazu erreichen inländische Materialien im Allgemeinen eine Sphärisierungrate von etwa 90%, wobei einige bis zu 95% erreichen.

03. Kugelsiliziumpulver für Wabenkeramik

Wabenkeramikkatalysatoren, die für die Abgasreinigung von Automobilen und Dieselpartikelfilter (DPF) für Dieselmotorabgasreinigung verwendet werden—hauptsächlich aus Cordierit-Material hergestellt—werden unter Verwendung von Materialien wie Alumina, Siliziumpulver und anderen durch Prozesse wie Mischen, Extrusionsformen, Trocknen und Sintern produziert. Kugelsiliziumpulver verbessert die Formungsrate und Stabilität von Wabenkeramikprodukten und trägt zu einer verbesserten Produktleistung bei.

04. Farben und Beschichtungen

Kugelsiliziumpulver bietet hervorragende Leistungen bei Kratzfestigkeit, Ebenheit, Transparenz und Witterungsbeständigkeit, was es in Beschichtungen für verschiedene Anwendungen äußerst effektiv macht. Dazu gehören dekorative Farben, Holzfarben, Pulverbeschichtungen, Korrosionsschutzbeschichtungen und Bodenbeschichtungen.

05. Kugelsiliziumpulver für Klebstoffe

Kugelsiliziumpulver wird in Klebstoffen für die Verklebung von Windturbinenblättern, Bauklebemittel und ähnlichen großen Verbundstrukturelementen verwendet. Es verbessert die Eigenschaften des Klebstoffs durch geeignete Viskosität, ausgezeichnete Thixotropie, Anti-Sagging-Eigenschaften, hohe Haftfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.

06. Spitzentechnologische Anwendungsfelder

Kugelsiliziumpulver eignet sich gut zur Reduzierung der Viskosität verschiedener Harze und Farben, zur Verbesserung der Fließfähigkeit und zur Minimierung von Gratbildung. Es findet breite Anwendung in fortschrittlichen Materialien und Additiven, einschließlich:

• Fließfähigkeitsverstärker und Gratreduzierer für Halbleiterverpackungsharze.
• Kohlenstoffpulverzusätze.
• Füllstoffe für Silikonkautschuk.
• Sintermaterialien und Additive.
• Füllstoffe für Flüssigkeitsverpackungsmaterialien.
• Harzfüllstoffe und Substrate.
• Anwendungen in Narrow-Gap-Technologien.

Zusammenfassung

In den letzten Jahren hat die schnelle Entwicklung der Elektronik- und Informationsindustrie die Nachfrage nach Kugelsiliziumpulver angetrieben. Es ist zu einem wichtigen Produktionsmaterial für Kupferkaschierte Laminatplatten und integrierte Schaltkreise geworden. Bis zum Ende des „14. Fünfjahresplans“ wird erwartet, dass die Verwendung von Kugelsiliziumpulver in kupferkaschierten Laminatplatten 551 Tonne übersteigen wird.

Mit stabilen chemischen Eigenschaften, ausgezeichneter Dispergierbarkeit und umweltfreundlichen Merkmalen hat Kugelsiliziumpulver breite Anwendungsmöglichkeiten. Es dient als Dispergiermittel in der Kunststoff- und Beschichtungsindustrie und verbessert die Oberflächenqualität der Materialien. Darüber hinaus expandieren seine Anwendungen in Luft- und Raumfahrt, Spezialkunststoffen, hochwertigen Beschichtungen, Spezialfasern, Kautschuken, Feinchemikalien und Kosmetika und zeigen sein großes Potenzial und vielversprechende Zukunft.