電子工業(yè)用化工新材料的新進(jìn)展

羅益鋒 羅晰旻

一、概述

電子工業(yè)用化工原材料是制造軍民兩用電子元器件、集成電路和先進(jìn)可靠電子系統(tǒng)等的基礎(chǔ)材料，包括超凈高純試劑、特種氣體、超純水、彩色螢光粉、半導(dǎo)體材料、永磁材料、光刻膠、封裝材料、拋光材料、鍍膜靶材、硅片、平板顯示材料、柔性有機(jī)發(fā)光顯示材料等，細(xì)分有2萬多種。

隨著電子原器件朝小型化、微型化、輕量化、超高性能化、高效化、高精度、智能化和平板顯示器大型化的方向發(fā)展，對化工新材料提出了更高的要求。碳納米管、石墨烯以及超高性能、超輕新材料、新一代多功能材料、智能材料和散熱材料的出現(xiàn)，把電子元器件的應(yīng)用領(lǐng)域拓展到宇宙深空、平流層和深海等前所未有的領(lǐng)域，使新型武器系統(tǒng)、單兵裝備和日用電子消費(fèi)品等更加先進(jìn)、實(shí)用和可靠。

二、電子元器件技術(shù)及其相關(guān)新材料新進(jìn)展

1.半導(dǎo)體發(fā)光二級管（LED）的新進(jìn)展

LED照明元件因具有高效、節(jié)能、環(huán)保、體積小、壽命長等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)用較小的能源點(diǎn)亮世界，我國在這方面已經(jīng)普及。

中國臺灣南亞光電股份有限公司通過在80W新式L E D燈采用多色發(fā)光技術(shù)和搭載傳感器，在19.8～36.3m2面積表現(xiàn)出256種顏色，并自動再現(xiàn)了一天的日照。今后將開拓在老齡設(shè)施和具有播放音樂功能的娛樂市場的推廣應(yīng)用。

香港Optiled照明公司生產(chǎn)的LED燈PZ系列（40型），與以往的標(biāo)準(zhǔn)品相比，價格只有30%，耗電削減60%，實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率132 lm/W，全光束2 200 lm?，F(xiàn)開拓B2B領(lǐng)域的應(yīng)用，今后將以2位數(shù)的需求增長。

Aluflex日本公司與京瓷公司共同開發(fā)了紫光LED照明，接近自然光，光源設(shè)計壽命是藍(lán)光LED的2.5倍，相當(dāng)于1萬h，目前正開拓住宅照明等市場。

日本大同鋼公司開發(fā)了利用交流電伺服馬達(dá)用光學(xué)式編碼器的適用于高溫的LED，作為僅從微小發(fā)光窗放射出來的點(diǎn)光源LED，首次實(shí)現(xiàn)溫度上限為150℃，適用于高溫作業(yè)機(jī)器人等。

旭化成集團(tuán)下屬的Crystal IS公司開發(fā)了深紫外光發(fā)光二級管（UVC-LED），波長200～280nm特別是250～280nm范圍，兼有高殺菌和霉類的功能，適用于醫(yī)院等的小型殺菌裝置。

日本田中貴金屬和S.E.I公司開發(fā)了采用含0.1um金微粒低溫接合材料進(jìn)行倒裝芯片鍵合的高輸出功率LED模塊，這些金?？删徍蜔崤蛎洉r的變形，因此可采用廉價金屬基板，無需引線，易散熱，實(shí)現(xiàn)小型化和提高電氣特性。

2.有機(jī)電子照明（OEL）

圖1示出2種OEL元件的結(jié)構(gòu)，目前以小分子發(fā)光材料為主，高分子材料是未來的發(fā)展方向，它是在電場驅(qū)動下靠載流子注入和復(fù)合使有機(jī)材料發(fā)光，由于全是固態(tài)材料，具有主動發(fā)光、超薄、柔性和節(jié)能等液晶所沒有的特點(diǎn)。

目前高檔智能手機(jī)是牽引其發(fā)展的主要市場，韓國三星旗艦手機(jī)和美國蘋果的新一代Apple watch3已使用它，預(yù)期到2017年液晶和OEL的市場份額將各占50%。現(xiàn)生產(chǎn)OEL顯示器的廠家只有韓國三星和LG公司，并提供給中國和其他公司，蘋果公司將于2017年生產(chǎn)中、小型OEL顯示器。

Seiko Epson公司開發(fā)了1英寸以下的超小型OEL顯示器，并應(yīng)用于時尚的眼鏡BT-300，根據(jù)所用的不同OEL材料可發(fā)出3種不同原色，如圖2所示。

美國Sinaptech公司觀察到搭載OLE顯示器的汽車越來越多，因此急于開發(fā)驅(qū)動IC和觸摸式認(rèn)證指紋闈傳感器，并將8-20型OLE裝配于歐洲各大汽車公司高檔式樣的中心控制盤上，實(shí)現(xiàn)可操作電話、音頻和察看地圖等的功能。

3.發(fā)光材料及彩色螢光粉

日本出光興產(chǎn)株式會社在OELD方面積累了30年以上的技術(shù)，擁有超過2 000件專利，包括發(fā)光材料及其周邊材料的解決方案。該公司自1985年便開始研究OELD材料，現(xiàn)已配劑螢光、磷光、TADF（熱活性型遲延材料）發(fā)光材料、電子輸送材料、正孔輸送材料、正孔輸入材料等相關(guān)聯(lián)材料。

隨著OELD的普及，對壽命、效率和色調(diào)等的要求比以往高，目前最大的課題是開發(fā)發(fā)光材料，即螢光和磷光材料。螢光材料只有25%電能不能轉(zhuǎn)化為光，剩余的轉(zhuǎn)化為熱能，而磷光材料則100%轉(zhuǎn)化為光，紅和綠螢光材料正在實(shí)用化。至于對應(yīng)于螢光的藍(lán)光，正與磷光材料并行開發(fā)，同時開發(fā)與磷光同樣轉(zhuǎn)化為100%光的TADF。

住友化學(xué)株式會社追求獨(dú)創(chuàng)的路線，采用涂覆方式面向OEL的高分子材料，對應(yīng)于先前的低分子材料蒸著方式，具有明顯的成本竟?fàn)巸?yōu)勢，目標(biāo)是于2018年實(shí)現(xiàn)在顯示器和照明2方面的產(chǎn)業(yè)化。

目前與液晶相比，如何降低成本是今后的研究課題，該公司先將高分子材料溶于溶劑中制成油墨狀，然后用噴涂方式只在必要的部分用必要量進(jìn)行涂覆，使用效率極高。同時高分子可根據(jù)需要進(jìn)行分子設(shè)計，與低分子相比可具有更多的功能，同時為配合有機(jī)柔曲膜，急于開發(fā)將樹脂制的視窗膜、觸摸式傳感器和偏光板的功能組合起來的部件。

另外，OEL照明與LED相比由于成本高普及晚，今后期待以投入涂覆式高分子材料為突破口，致力于照明等用途開發(fā)，將來的目標(biāo)是普及應(yīng)用于民用住宅。

新日鐵住友化學(xué)株式會社在精密有機(jī)合成技術(shù)方面很強(qiáng)，其高發(fā)光效率的磷光發(fā)光材料已投放市場，綠色和紅色也正量產(chǎn)，現(xiàn)急于投產(chǎn)藍(lán)色產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)全磷光化，在這方面該公司處于領(lǐng)先地位。磷光發(fā)光材料理論上可100%轉(zhuǎn)化為光，但耐久性有待進(jìn)一步改進(jìn)，而且發(fā)光時耗能高，藍(lán)光的開發(fā)有難度，現(xiàn)與九州大學(xué)共同開發(fā)TADF（熱活性化遲延螢光），這2項是今后的市場化課題。

保土谷化學(xué)工業(yè)公司在藍(lán)色螢光材料產(chǎn)品質(zhì)量方面處于領(lǐng)先水平，其發(fā)光效率高、壽命長、顏色再現(xiàn)性優(yōu)，中、美、韓在時尚手機(jī)的需求量大。現(xiàn)正開發(fā)紅和綠色的材料，同時推進(jìn)發(fā)光材料與輸送材料等相組合，以此進(jìn)一步提高發(fā)光效率。同時研究開發(fā)磷光與TADF相結(jié)合的藍(lán)色發(fā)光材料。

我國有許多科研院所、高校和企業(yè)研發(fā)與生產(chǎn)彩色螢光粉和發(fā)光材料，其中河北師范大學(xué)研究白光LED用鉬酸鹽紅色螢光粉水熱合成法，在反應(yīng)機(jī)理、水的作用和制造工藝作了進(jìn)一步研究，有助于改進(jìn)存在的問題。

沈陽師范大學(xué)研究綜述過稀土摻雜硼酸鹽發(fā)光材料的各種制法，包括高溫固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱/溶劑、燃燒法、噴霧熱解法、硝酸鹽熱分解法等，認(rèn)為后者有良好的化學(xué)與熱穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣闊。

五邑大學(xué)研究了摻雜Mg離子對CaSi202N2：Eu2十螢光粉的發(fā)光性能，分析摻雜前后發(fā)光強(qiáng)度變化、晶相結(jié)構(gòu)及顆粒形貌特點(diǎn)等，對改進(jìn)發(fā)光強(qiáng)度等有一定價值。

4.電子特種氣體

電子特種氣體主要應(yīng)用于集成電路和平板顯示，中高端產(chǎn)品均被國外壟斷，主要生產(chǎn)廠家有美國氣體化工、普萊克斯、日本昭和電工、日本酸素、巖谷氣體、英國BOC、法國液空等。特種氣體有高純氣體、半導(dǎo)體材料氣體和標(biāo)準(zhǔn)氣體3大類，半導(dǎo)體氣體呈現(xiàn)高密積化、工藝過程多樣化和品種多樣化趨勢。

據(jù)統(tǒng)計在21種氣體中需求量最大的是高純氨，主要用于LED和液晶板等制造過程中用于形成氮化膜，其次是三氟化氮，用于洗凈液晶板，再次是一氧化二氮。

我國電子特種氣體的主要研發(fā)和生產(chǎn)廠家有中船重工718研究所、江蘇南大光電材料股份有限公司、佛山市華特氣體有限公司等。

近年來一些含氟類氣體如三氟化氮、六氟化鎢和六氟乙烷等，已應(yīng)用于國內(nèi)8英寸和12英寸集成電路生產(chǎn)線上，6N高純氨已應(yīng)用于LED生產(chǎn)，但和其他新材料一樣產(chǎn)品純度和質(zhì)量穩(wěn)定性與國外產(chǎn)品尚有較大差距。

5.高純試劑

高純試劑包括光刻膠配套試劑、濕法蝕刻劑、濕法清洗劑、芯片銅互連電鍍、剝離液、緩沖液等，其中用量最大是集成電路用高純試劑。

我國高純試劑的主要生產(chǎn)廠家有十幾家，如上海新陽半導(dǎo)體股份有限公司、江陰江化微電子材料股份有限公司、江陰市潤瑪電子材料有限公司、多氟多化工股份有限公司和蘇州瑞紅等公司。

湖北興福磷酸和浙江凱圣氟化學(xué)有限公司的氫氟酸，已應(yīng)用于8～12英寸工藝中，上海新陽開發(fā)的電鍍硫酸銅及添加劑也已應(yīng)用于8～12英寸銅制程中。

在電鍍液方面，上海新陽已可小批量供應(yīng)8～12英寸集成電路廠家，但國內(nèi)大都由美國樂恩化學(xué)公司供應(yīng)。光刻膠剝離液和清洗液仍由美國杜邦公司龔斷。

中國臺灣東京應(yīng)化工業(yè)公司為適應(yīng)新一代半導(dǎo)體集成電路向線幅10nm以下發(fā)展，正建設(shè)超高純度清洗液，并進(jìn)而向滿足線幅5nm的更新一代產(chǎn)品發(fā)展。

6.新型集成電路膜

AgIC公司最近開始確立注射法制造600mm寬的軋延狀成卷聚酯膜的技術(shù)，可隨時向BtoB供應(yīng)大型吸附靜電的片材，并提供常溫固化型導(dǎo)電粘合劑，且在半年內(nèi)確立制備電阻值下降2個數(shù)量級的聚酰亞胺片材，即最小線/空間比為0.3/0.3mm、電阻值每單位面積0.3Ω，滿足未來片狀柔曲印刷線路基板的需求。

7.透視型電子屏幕

日本OPtiled Lighting公司除生產(chǎn)薄型節(jié)能LED顯示器外，最近致力于開發(fā)透視型的基板，即在基板間隙設(shè)置遮蔽簾實(shí)現(xiàn)可透視化，既可消除空間的壓迫感，又可使外光射入室內(nèi)而保持明亮。首先投入薄型的簡易產(chǎn)品，使之具有6 000尼特（nt）的高輝度，該亮度不亞于太陽光，而且視野廣，給人以屋外的明亮感覺，并具有IP65的高防塵防水功能。另外，還投產(chǎn)了在紅綠藍(lán)間置入白色LED的“MCS”系列，可在保證畫面質(zhì)量的前提下，使耗電量控制在約40%。

8.產(chǎn)業(yè)用液晶觸摸屏

目前產(chǎn)業(yè)用液晶市場正以年均5%的需求增長，而車載用液晶市場卻以10%增長，為此日本三菱電機(jī)公司重返并強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)用觸摸屏事業(yè)。該公司的產(chǎn)品在工廠自動化機(jī)器、工作機(jī)械、測量儀、飛機(jī)、醫(yī)用機(jī)械、船舶、建筑機(jī)械和農(nóng)機(jī)等廣闊領(lǐng)域在日本擁有最大的市場份額，但在車載方面的市場份額不大。

在技術(shù)方面，強(qiáng)化手機(jī)用的靜電容量（PCAP）觸摸屏，而產(chǎn)業(yè)用可設(shè)置于噪音大的場所和屋外風(fēng)雨及風(fēng)雪交夾的地方。觸摸屏的表面易損傷，該公司將自家開發(fā)的PCAP傳感器埋入玻璃的中側(cè)，可提高耐久性。

車載葉靜觸摸屏的由于體積大，成為中小企業(yè)虎視眈眈的目標(biāo)，因此大型玻璃基板的竟?fàn)幖ち遥摴局攸c(diǎn)開發(fā)小型2.5代的玻璃基板，根據(jù)需求提供少量而多品種的差別化生產(chǎn)。

9.高分子厚膜熱電變換材料

東京農(nóng)工大學(xué)開發(fā)了具有熱能轉(zhuǎn)化為電能的柔性高分子厚膜，其隔熱性高，而且該厚膜是由發(fā)泡樹脂制成，通過泡中的空氣層維持隔熱。利用輕柔而又導(dǎo)電高分子的特點(diǎn)，如衣料或被褥等與上述材料一起開發(fā)能發(fā)電的衣服和被褥等。利用家電等低溫?zé)嵩粗苓呑鳛楦魺岵牧?，預(yù)期也可用作需要熱源的輔助電力發(fā)電，還可與太陽能電池相組合用于陰天夜間屋頂?shù)陌l(fā)電輔助。

10.新型芯片

英特爾新上市的第6代酷睿處理器“SkyLake”，可整合無線電充電，其realsense實(shí)感技術(shù)，還具有臉部識別功能，使PC、平板電腦、手機(jī)等終端設(shè)備可通過臉部辨別來解鎖，無需按密碼，使用極為便捷。

該公司還量產(chǎn)了可用于工作站的72核超級芯片，代號“Knights Landing”，該新穎的超級工作站可進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)計算、編寫和測試代碼，然后在超級計算機(jī)上部署和執(zhí)行。

東芝首創(chuàng)超低功率“藍(lán)牙+NFC”組合芯片，可應(yīng)用于智慧生活的4大應(yīng)用領(lǐng)域：能量與生活、汽車、記憶與儲存、移動與連通，其中監(jiān)控攝像頭采用專業(yè)鏡頭控制芯片，可同時控制自動對焦和變焦鏡頭、光圈和IRC馬達(dá)。它把ARM芯片、DSP、馬達(dá)驅(qū)動芯片、模擬電路及鏡頭控制反饋電路全裝在一個芯片內(nèi)，可提供完整的lP自動對焦模組解決方案。

意法半導(dǎo)體（ST）公司推出2款擁有靜電放電與瞬間電壓防護(hù)功能的控制區(qū)域網(wǎng)路匯流排的ESD保護(hù)芯片，具有最高3.5pF的低電容，有助于降低高速通訊設(shè)計成本和簡化設(shè)計。

重慶郵電大學(xué)研發(fā)出全球首款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)SlP芯片CY2420S，主要用于工業(yè)自動化設(shè)備，使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)無線智能化控制，擺脫生產(chǎn)線上密集的有限網(wǎng)。

中國航天科工集團(tuán)772研究所研發(fā)生產(chǎn)的微處理器（CPU）芯片，已應(yīng)用于北斗衛(wèi)星，使之全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，這種宇航芯片具有抗宇宙射線輻射特性。該所已研制成功200多種抗輻射集成電路并出口國外，還生產(chǎn)北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)總線路、轉(zhuǎn)換器、存儲器等近40款產(chǎn)品。

11.導(dǎo)熱與散熱材料

導(dǎo)熱和散熱材料是半導(dǎo)體等器件所必備的重要輔助材料，廣泛應(yīng)用于軍民兩用領(lǐng)域，從材料形態(tài)看有粉體和纖維狀或片材，從材質(zhì)分類有無機(jī)物、高分子和金屬類。

（1）陶瓷粉體

用的最多的是六方晶氮化硼（hBN），三菱化學(xué)公司開發(fā)了hBN球狀多晶片，粒子大小為數(shù)μm-100μm，其所有方向都可導(dǎo)熱，導(dǎo)熱系數(shù)為70W/（m·K），2017年剛開始量產(chǎn)。將它與環(huán)氧樹脂基體混合制成絕緣復(fù)合材料板銷售，所用環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)小、雜質(zhì)少?？捎糜陔妱悠囯姵亍L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變電器所搭載的半導(dǎo)體元件、產(chǎn)業(yè)機(jī)械的功率半導(dǎo)體等，到2020年的銷售額預(yù)期為數(shù)十億日元。

昭和電工公司開發(fā)導(dǎo)熱性更高的hBN，其熱穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性優(yōu)良，介電常數(shù)低，適用于電動汽車所搭載的設(shè)備和功率半導(dǎo)體。

若與熱控制和放熱部件合起來算，世界市場為2 000億日元以上，到2018和2020年將各增長至2 500億日元和3 000億日元。

（2）纖維類

東洋紡開發(fā)了沿厚度方向具有導(dǎo)熱性有機(jī)纖維取向的高導(dǎo)熱絕緣片材，樹脂選用熱固型聚酯，纖維采用本公司的PBO纖維“Zylon”。其復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為13W/（m·K），若要更高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱絕緣材料，可同時加入碳、金屬、陶瓷等填料高密度配合，柔軟性好，由于界面處沒空氣，不會造成熱傳導(dǎo)的損失，目前只在試驗設(shè)備上試制小尺寸產(chǎn)品。

中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司開發(fā)了碳納米管（CNT）散熱涂料TNRC，可大幅提高金屬或非金屬材料表面熱輻射效果，并已成功應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

銅和鋁的熱輻射性能差，不能滿足電子消費(fèi)品的散熱要求，而加入世界上最黑的物質(zhì)CNT后，輻射系數(shù)接近1，是最好的散熱材料。在材料表面上涂覆TNRC后，其涂層TNRC的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)20W/（m·K），熱輻射系數(shù)大于0.95，表面電阻大于106Ω，并具有良好的耐水性和耐酸堿性。

中山寶立得高分子材料有限公司也已小規(guī)模投產(chǎn)混有小量CNT的散熱及重防腐涂料。

至于需要超高導(dǎo)熱和散熱的材料，莫過于中間相瀝青基碳纖維，有3家公司生產(chǎn)，三菱樹脂、美國Cytec和日本石墨纖維（NGF）公司。以NGF的產(chǎn)品“Granoc”為例，超高導(dǎo)熱纖維有4個檔次的產(chǎn)品：XN-100短切和研磨纖維：900W/（m·K）；HC-600研磨纖維：600W/（m·K）；CN-90：500W/（m·K）；CN-80：320W/（m·K）。

三、結(jié)語

電子工業(yè)用新材料品種繁多，應(yīng)用領(lǐng)域廣，創(chuàng)新發(fā)展快，不可能都一一介紹，其中有些重要內(nèi)容如半導(dǎo)體材料、傳感器材料、光刻膠、封裝材料、拋光材料、鍍膜材料等，因國內(nèi)學(xué)術(shù)會議和許多期刊都有發(fā)表，此處未作介紹。