球状シリコン微粉末は、網目状の綿状の準粒子構造を持つ無機非金属材料です。熱膨張係数が小さく、応力集中が低く、摩擦係数が低く、耐腐食性に優れ、化学安定性に優れ、分散性が良く、熱伝導率が低いなどの特性があります。近年、航空宇宙や大規模集積回路パッケージングなどの新興分野で注目を集めています。その優れた特性と幅広い応用展望により、球状シリコン微粉末は新材料分野の研究ホットスポットとなっています。
球状シリコン微粉末には様々な種類があります。最も一般的な分類は、放射性元素ウラン（U）の含有量に基づいており、低放射線球状シリコン粉末と汎用球状シリコン粉末に分けられます。一般的な調製方法には、火炎法、化学沈殿法、気相法、プラズマ法などがあります。
球状シリコン微粉末産業の現状
日本は1980年代に、主に火炎法に重点を置いた球状シリコン微粉末の開発を開始しました。2000年代初頭までに、日本の年間生産能力は1万トンに達しました。球状シリコン微粉末は、それ以来、大規模集積回路、航空宇宙、特殊材料製造に広く応用されています。この分野の大手企業には、信越化学、東芝溶解、アドマテックスなどがあり、これらを合わせると世界の球状シリコン微粉末市場の約70%を占めています。特に、アドマテックスは、粒子サイズが1µm未満の球状シリコン微粉末市場をほぼ独占しています。
アメリカの企業は、球状化率が高く、表面が滑らかで、真球度に優れた製品を開発しました。主に、高純度の石英を原料として、高温溶融噴霧球状化法を採用しています。2000℃を超える温度で石英を溶かして液体にし、噴霧して冷却することで完成品を製造します。
球状シリコン微粉末はハイテク分野で幅広い応用が見込まれるため、外国企業は厳しい技術障壁を設けています。一方、中国では球状シリコン微粉末技術の発展が急速に進んでいます。中国における高純度球状シリコン微粉末の生産は、浙江省湖州市や江蘇省連雲港市などの地域に集中しています。近年、東海シリカ微粉末、浙江華飛電子、江蘇連瑞新材料など、国内の数社が研究機関と提携し、広範な研究開発を通じて外国の技術封鎖を克服してきました。生産技術では目覚ましい進歩が遂げられていますが、製品の純度と粒子サイズには依然としてギャップがあり、現在、ハイエンド市場の約15%を国内で生産しているにすぎません。
市場調査会社Mordor Intelligenceのデータによると、世界のシリコンマイクロパウダー市場規模は2021年に約39億6,000万米ドルでした。2027年までに53億3,000万米ドルにまで成長すると予測されており、年間複合成長率（CAGR）は5.1%です。
球状シリコン粉末の主な用途
01. 銅張積層板（CCL）用球状シリコン粉末
近年、無機フィラー技術は、新製品の開発や銅張積層板の性能向上のための重要な研究対象となっています。球状シリコン粉末は表面積が大きいため、エポキシ樹脂と完全に相互作用し、優れた分散性を発揮します。エポキシ樹脂に分散すると、接触面積と結合点が増加し、2つの材料間の適合性が向上します。さらに、球状シリコン粉末は優れた機械的特性と電気的特性を備えているため、銅張積層板の製造でますます人気が高まっています。
現在、球状シリコン粉末は主にリジッドCCLに使用されており、全組成の20%～30%を占めています。フレキシブルCCLや紙ベースのCCLでの使用は比較的限られています。
02. エポキシ成形コンパウンド（EMC）用球状シリコン粉末
現在、95% を超えるマイクロエレクトロニクス デバイスでエポキシ成形コンパウンドが使用されています。これらのコンパウンドは通常、フィラー (60-90%)、エポキシ樹脂 (18% 未満)、硬化剤 (9% 未満)、添加剤 (約 3%) で構成されています。最も一般的に使用されるフィラーは二酸化ケイ素粉末で、コンパウンドの最大 90.5% を占めることがあります。二酸化ケイ素粉末は、熱膨張係数の低減、熱伝導率の向上、誘電率の低下、環境保護の強化、難燃性の実現、内部応力の低減、吸湿の防止、成形コンパウンドの強化、パッケージング材料のコストの削減において重要な役割を果たします。
EMC アプリケーションにおける球状シリコン粉末の要件:
1. 高純度
電子製品、特に超大規模集積回路に使用される材料には、高純度が必須条件です。従来の不純物元素を最小限に抑えるだけでなく、放射性元素の含有量を可能な限り低く抑え、理想的にはゼロにする必要があります。
2. 超微粒子サイズと高い均一性
海外の超大規模集積回路のパッケージングに使用される球状シリコン粉末は、粒子サイズが細かく、分布範囲が狭く、均一性に優れていることが特徴です。米国では平均粒子サイズが通常1〜3µmであるのに対し、日本では一般的に3〜8µmで、最大粒子サイズは24µm未満です。
3. 高い球状化率と分散性
球状化率が高いため、充填剤の流動性と分散性に優れています。高品質の球状化により、製品がエポキシ成形コンパウンドに完全に分散され、最適な充填効果が得られます。海外製品は通常、98% を超える球状化率を達成しています。これに対し、国内の材料は一般的に 90% 前後の球状化率を達成しており、95% に達するものもあります。
03. ハニカムセラミックス用球状シリコン粉末
自動車の排ガス浄化用ハニカムセラミック担体やディーゼルエンジンの排ガス浄化用DPF（ディーゼル微粒子捕集フィルター）は、主にコージェライト質の材料を原料とし、アルミナやシリコン粉末などを原料として、混合、押し出し成形、乾燥、焼結などの工程を経て製造されます。球状シリコン粉末はハニカムセラミック製品の成形速度や安定性を高め、製品性能の向上に貢献します。
04. 塗料とコーティング
球状シリコンパウダーは、耐傷性、レベリング性、透明性、耐候性に優れており、装飾塗料、木工塗料、粉体塗装、防錆塗料、床用塗料など、さまざまな用途のコーティングに効果を発揮します。
05. 接着剤用球状シリコン粉末
球状シリコン粉末は、風力タービンブレード、建築構造用接着剤、および同様の大型複合構造部品の接着用接着剤に使用されます。適切な粘度、優れたチキソトロピー性、たるみ防止特性、高い接着強度、および疲労耐性を提供することで、接着剤の特性を強化します。
06. 最先端の応用分野
球状シリコン粉末は、各種樹脂や塗料の粘度を下げ、流動性を向上させ、バリの発生を最小限に抑えるのに適しています。次のような先進的な材料や添加剤に広く応用されています。
- 半導体パッケージング樹脂の流動性向上剤およびバリ低減剤。
- 炭素粉末添加剤。
- シリコンゴム充填剤。
- 焼結材料および添加剤。
- 液体包装材料用の充填剤。
- 樹脂充填剤および基材。
- 狭ギャップ技術への応用。
まとめ
近年、電子情報産業の急速な発展により、球状シリコン粉末の需要が高まり、銅張積層板や集積回路の重要な生産材料となっています。「第14次5カ年計画」の終了時には、銅張積層板における球状シリコン粉末の使用量は55%を超えると予想されています。
球状シリコン粉末は、安定した化学的性質、優れた分散性、環境に優しい特性を備え、幅広い用途に使用されています。プラスチックおよびコーティング業界では分散剤として機能し、材料の表面仕上げを向上させます。さらに、航空宇宙、特殊プラスチック、高級コーティング、特殊繊維、ゴム、ファインケミカル、化粧品などへの応用も拡大し続けており、その大きな可能性と有望な将来を示しています。
