(报告出品方/作者:海通国际,刘威)
核心观点:
硅微粉是一类用途广泛的无机非金属材料。硅微粉是将高纯度的石英矿通过物理或化学方法破碎、粉碎而得到的微米级别的粉末,其颗粒大小一般在1-微米之间,常用的颗粒大小为5微米左右,而随着半导体制程的进步,1微米以下的硅微粉也逐渐得到广泛采用。硅微粉具有介电性能优异、热膨胀系数低、导热系数高、化学稳定性高、耐高温、硬度高等一系列优点,因此被广泛应用于半导体、电子、化工、医药等领域。
高端领域多使用球形硅微粉。硅微粉按照其颗粒形态一般可分为角形硅微粉和球形硅微粉,角形硅微粉又常按结晶特点分为结晶硅微粉和熔融硅微粉,球形硅微粉通常是在这两种角形硅微粉的基础上,通过火焰成球等方法进一步制备而来。同角形硅微粉相比,球形硅微粉流动性好,在树脂中的填充量较高,做成板材后内应力低、尺寸稳定、热膨胀系数低,并且具有更高的堆积密度和更均匀的应力分布,同时还可减少相关制品制造时对设备和模具的磨损,因而在对性能要求较高的高端领域得到了迅速的应用。
高球化率、高纯度、超细化是球形硅微粉的未来方向。球化率是衡量球形硅微粉品质的重要指标之一,球化率越高,硅微粉的流动性及分散性能就越好,在树脂中的分布就越均匀,同时对模具的磨损程度就越小;高纯度是电子产品对材料最基本的要求,在超大规模集成电路中的要求则更加严格,除了常规杂质元素含量要求低外,还要求放射性元素含量尽量低或没有,否则对电信号的传输速度及质量都会带来负面的影响;球形硅微粉的热传导率不如结晶硅微粉,而超大规模集成电路由于发热量巨大对散热性能的要求较高,超细化硅微粉由于导热性更好而能部分的解决这个问题。
预期全球硅微粉市场年将可达53.3亿美元。随着电动汽车及数据中心增长带来的对电子元器件需求的增长,我们预期年全球硅微粉市场将有望达到53.3亿美元,年均复合增长率约为5.1%。硅微粉需求有望受益于ChatGPT的兴起。ChatGPT的部署及训练需要大量的算力及存储空间,会带来对逻辑芯片及存储芯片的大量需求,尤其是对先进制程芯片的需求。作为半导体工业中重要上游原材料的硅微粉,尤其是适用于先进制程封装的高端硅微粉,将有望受益。
1、硅微粉:用途广泛的无机填充料
硅微粉是一类用途广泛的无机非金属材料,其介电性能优异、热膨胀系数低、导热系数高。系列产品是以纯净石英粉为原料,经一系列物理或化学工艺加工而成,常见的产品有结晶硅微粉、熔融硅微粉、球形硅微粉等。它具有白度高、颗粒细、粒度分布合理、比表面积大、悬浮性能优、纯度高等优点,广泛用于涂料、油漆、胶粘剂、硅橡胶、精密铸造、高档陶瓷、环氧树脂灌封料及普通电器、高压元器件的绝缘浇注、集成电路的塑封料和灌封料、粉末涂料、电焊条保护层及其它树脂填料等。
1.1、硅微粉:常按颗粒形态分为角形与球形
根据不同的分类标准,硅微粉分为不同的类型,如按照用途和纯度可分为普通硅微粉、电工级硅微粉、电子级硅微粉、半导体级硅微粉等,按照结晶特点可分为结晶硅微粉、熔融硅微粉等;按照颗粒形态可分为角形硅微粉、球形硅微粉等。目前业界常采用结晶特点以及颗粒形态两种分类方法对相关产品进行分类。
球形硅微粉:性能好、成本高
球形硅微粉是指颗粒个体呈球状,一种高强度、高硬度、惰性的球型颗粒,是通过高温将形状不规则的精选角形硅微粉颗粒瞬间熔融使其在表面的张力作用下球化,后经过冷却、分级、混合等工艺加工而成的硅微粉。球形硅微粉流动性好,在树脂中的填充量较高,做成板材后内应力低、尺寸稳定、热膨胀系数低,并且具有更高的堆积密度和更均匀的应力分布,因此可增加填料中的流动性和降低粘度。此外,球形硅微粉相比角型硅微粉有更大的比表面积,能够显著降低覆铜板和环氧塑封料的线性膨胀系数,提高电子产品的可靠性,同时还可减少相关制品制造时对设备和模具的磨损。其缺点主要是制备工艺复杂,成本较高。
1.2、SJ/T-硅微粉产品分类:电工级及电子级
根据国标SJ/T-,硅微粉可分为:用于电工行业的普通硅微粉(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)。用于电子行业的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)、电子级熔融型活性硅微粉(RGH)。
1.3、角形硅微粉的制备:生产设备主要有球磨机、振动磨等
角形硅微粉是用硅微粉原材料经研磨而得到的外形无规则多呈棱角状的硅微粉,主要生产设备有球磨机、振动磨、微粉分级机和烘干机等。球磨机是物料被破碎之后,再进行粉碎的关键设备;振动磨则是利用磨矿介质受磨机的振动作用,在磨机腔体内滑动、滚动而对物料进行研磨;微粒分级机利用风机对物料进行分级;烘干机则可以保证硅微粉含水量极低。
角形硅微粉的制备:主要有干法和湿法研磨两种
干法研磨是将硅微粉原料放进球磨机或振动磨中研磨,该研磨工艺可以连续进料和出料,也可以一次投入若干重量原料,连续研磨若干时间后出料;出料时要经过微粉分级机控制粒度,粗的产物返回磨机再磨或作为产品,细的则是产品。干法研磨要严格控制入磨物料水分,产品不再干燥。
1.4、球形硅微粉的制备:工业上以物理法为主
目前制备球形硅微粉的方法可分为物理法和化学法。物理法制备球形硅微粉,原材料来源广且价格不高,但对原材料石英质量和生产设备等要求较高。其中火焰成球法是一种可实现规模化生产且有发展前景的工艺技术。化学法可制备出高纯且粒径均匀的球形硅微粉,但由于在制备过程中对表面活性剂需求较大,极大增加了生产成本,且存在有机杂质不易除净、容易团聚及工业化难以实现等缺点。目前工业上以物理法制备为主。
1.5、硅微粉:可用于覆铜板、环氧塑封料、绝缘材料等
硅微粉由于具有耐酸碱腐蚀、耐高温、线性膨胀系数低、热传导率高等优点,被广泛应用至覆铜板、环氧塑封料等领域以改善相关产品的性能。如在覆铜板中加入硅微粉可改善其线性膨胀系数和热传导率;在环氧塑封料中加入硅微粉则可以显著提高环氧树脂硬度,增大导热系数,降低环氧树脂固化物反应的放热峰值温度等。
2、覆铜板用硅微粉:球形主要用于高速高频覆铜板
目前应用于覆铜板的硅微粉主要有结晶型硅微粉、熔融型(无定型)硅微粉、球形硅微粉、复合硅微粉、活性硅微粉等五个品种。球形硅微粉由于其特有的高填充、流动性好、介电性能优异的特点,主要应用在高填充、高可靠的高性能覆铜板中。覆铜板用球形硅微粉