Bột vi silic hình cầu là vật liệu phi kim loại vô cơ có cấu trúc dạng lưới và hạt bán kết bông. Nó có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, ứng suất tập trung thấp, hệ số ma sát thấp, khả năng chống ăn mòn tốt, độ ổn định hóa học tuyệt vời, khả năng phân tán tốt và độ dẫn nhiệt thấp, cùng nhiều đặc tính khác. Trong những năm gần đây, nó đã thu hút sự chú ý trong các lĩnh vực mới nổi như hàng không vũ trụ và đóng gói mạch tích hợp quy mô lớn. Nhờ các đặc tính nổi bật và triển vọng ứng dụng rộng rãi, bột vi silic hình cầu đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu mới.
Có nhiều loại bột silic hình cầu. Phân loại phổ biến nhất dựa trên hàm lượng nguyên tố phóng xạ urani (U), chia thành bột silic hình cầu bức xạ thấp và bột silic hình cầu đa năng. Các phương pháp chế tạo phổ biến bao gồm phương pháp ngọn lửa, phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp pha khí và phương pháp plasma.
Tình hình hiện tại của ngành công nghiệp bột vi silic hình cầu
Vào những năm 1980, Nhật Bản bắt đầu phát triển bột vi silic hình cầu, tập trung chủ yếu vào phương pháp chế tạo ngọn lửa. Đến đầu những năm 2000, Nhật Bản đã đạt được công suất sản xuất hàng năm là 10.000 tấn. Bột vi silic hình cầu kể từ đó đã được ứng dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp quy mô lớn, hàng không vũ trụ và sản xuất vật liệu đặc biệt. Các công ty hàng đầu trong lĩnh vực này bao gồm Shin-Etsu, Toshiba Melting và Admatechs, cùng nhau chiếm khoảng 70% thị trường bột vi silic hình cầu toàn cầu. Đáng chú ý, Admatechs đã gần như độc quyền thị trường bột vi silic hình cầu có kích thước hạt dưới 1 µm.
Các công ty Mỹ đã phát triển các sản phẩm có tỷ lệ hình cầu hóa cao, bề mặt nhẵn và độ hình cầu tuyệt vời. Họ chủ yếu sử dụng phương pháp hình cầu hóa phun nóng chảy ở nhiệt độ cao, sử dụng thạch anh có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu thô. Ở nhiệt độ trên 2000°C, thạch anh được nấu chảy thành dạng lỏng, sau đó phun và làm nguội để tạo ra sản phẩm hoàn thiện.
Do triển vọng ứng dụng rộng rãi của bột vi silic hình cầu trong các lĩnh vực công nghệ cao, các công ty nước ngoài đã triển khai các rào cản công nghệ nghiêm ngặt. Trong khi đó, sự phát triển của công nghệ bột vi silic hình cầu ở Trung Quốc đang tiến triển nhanh chóng. Sản xuất bột vi silic hình cầu có độ tinh khiết cao ở Trung Quốc tập trung ở các khu vực như Hồ Châu (Chiết Giang) và Liên Vân Cảng (Giang Tô). Trong những năm gần đây, một số công ty trong nước, bao gồm Donghai Silica Micropowder, Zhejiang Huafei Electronics và Jiangsu Lianrui New Materials, đã hợp tác với các viện nghiên cứu để vượt qua các rào cản công nghệ của nước ngoài thông qua hoạt động nghiên cứu và phát triển sâu rộng. Mặc dù đã đạt được những đột phá đáng chú ý trong công nghệ sản xuất, nhưng vẫn còn khoảng cách về độ tinh khiết của sản phẩm và kích thước hạt. Hiện tại, các sản phẩm sản xuất trong nước chỉ chiếm khoảng 15% trên thị trường cao cấp.
Theo dữ liệu từ công ty nghiên cứu thị trường Mordor Intelligence, quy mô thị trường bột silicon vi mô toàn cầu vào khoảng 3,96 tỷ đô la Mỹ vào năm 2021. Dự kiến sẽ tăng lên 5,33 tỷ đô la Mỹ vào năm 2027, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 5,1%.
Các lĩnh vực ứng dụng chính của bột silicon hình cầu
01. Bột Silicon hình cầu cho Tấm Laminate Đồng (CCL)
Trong những năm gần đây, công nghệ chất độn vô cơ đã trở thành trọng tâm nghiên cứu quan trọng để phát triển các sản phẩm mới và nâng cao hiệu suất của các tấm phủ đồng. Do diện tích bề mặt lớn, bột silicon hình cầu có thể tương tác hoàn toàn với nhựa epoxy, mang lại khả năng phân tán tuyệt vời. Khi phân tán trong nhựa epoxy, nó làm tăng diện tích tiếp xúc và điểm liên kết, cải thiện khả năng tương thích giữa hai vật liệu. Ngoài ra, bột silicon hình cầu cung cấp các đặc tính cơ học và điện vượt trội, khiến nó ngày càng phổ biến trong sản xuất các tấm phủ đồng.
Hiện nay, bột silicon hình cầu chủ yếu được sử dụng trong CCL cứng, chiếm 20% đến 30% trong tổng thành phần. Việc sử dụng bột silicon hình cầu trong CCL mềm và dạng giấy tương đối hạn chế.
02. Bột Silicon hình cầu cho hợp chất đúc Epoxy (EMC)
Hơn 95% thiết bị vi điện tử ngày nay sử dụng hợp chất đúc epoxy. Các hợp chất này thường bao gồm chất độn (60-90%), nhựa epoxy (ít hơn 18%), chất đóng rắn (ít hơn 9%) và chất phụ gia (khoảng 3%). Chất độn được sử dụng phổ biến nhất là bột silicon dioxide, có thể tạo nên tới 90,5% hợp chất. Bột silicon dioxide đóng vai trò quan trọng trong việc giảm hệ số giãn nở nhiệt, tăng độ dẫn nhiệt, giảm hằng số điện môi, tăng cường bảo vệ môi trường, đạt được khả năng chống cháy, giảm ứng suất bên trong, ngăn ngừa sự hấp thụ độ ẩm, tăng cường hợp chất đúc và giảm chi phí vật liệu đóng gói.
Yêu cầu đối với bột silicon hình cầu trong ứng dụng EMC:
1. Độ tinh khiết cao
Độ tinh khiết cao là yêu cầu cơ bản đối với vật liệu được sử dụng trong các sản phẩm điện tử, đặc biệt là trong các mạch tích hợp quy mô cực lớn. Ngoài việc giảm thiểu các thành phần tạp chất thông thường, hàm lượng các thành phần phóng xạ phải càng thấp càng tốt, lý tưởng nhất là bằng không.
2. Kích thước hạt siêu mịn và độ đồng đều cao
Bột silicon hình cầu dùng để đóng gói mạch tích hợp siêu lớn ở nước ngoài có kích thước hạt mịn, phạm vi phân phối hẹp và độ đồng đều tuyệt vời. Ở Hoa Kỳ, kích thước hạt trung bình thường là 1-3 µm, trong khi ở Nhật Bản, kích thước hạt trung bình thường là 3-8 µm, với kích thước hạt tối đa nhỏ hơn 24 µm.
3. Tỷ lệ hình cầu hóa và khả năng phân tán cao
Tỷ lệ hình cầu hóa cao đảm bảo tính lưu động và khả năng phân tán vượt trội của chất độn. Hình cầu hóa chất lượng cao đảm bảo sản phẩm được phân tán hoàn toàn trong hợp chất đúc epoxy, đạt được hiệu ứng lấp đầy tối ưu. Các sản phẩm nước ngoài thường đạt tỷ lệ hình cầu hóa trên 98%. Để so sánh, vật liệu trong nước thường đạt tỷ lệ hình cầu hóa khoảng 90%, với một số ít đạt 95%.
03. Bột Silicon hình cầu cho Gốm sứ tổ ong
Bộ phận chứa gốm dạng tổ ong dùng để lọc khí thải ô tô và Bộ lọc hạt diesel (DPF) để lọc khí thải động cơ diesel—chủ yếu được làm bằng vật liệu cordierite—được sản xuất bằng các vật liệu như alumina, bột silicon và các vật liệu khác thông qua các quy trình như trộn, đúc đùn, sấy khô và thiêu kết. Bột silicon hình cầu giúp tăng tốc độ đúc và độ ổn định của các sản phẩm gốm dạng tổ ong, góp phần cải thiện hiệu suất sản phẩm.
04. Sơn và lớp phủ
Bột silicon hình cầu có hiệu suất tuyệt vời về khả năng chống trầy xước, san phẳng, trong suốt và chống chịu thời tiết, khiến nó trở nên cực kỳ hiệu quả trong lớp phủ cho nhiều ứng dụng khác nhau. Bao gồm sơn trang trí, sơn gỗ, sơn bột, lớp phủ chống ăn mòn và lớp phủ sàn.
05. Bột Silicon hình cầu dùng cho keo dán
Bột silicon hình cầu được sử dụng trong chất kết dính để liên kết các cánh tuabin gió, chất kết dính kết cấu xây dựng và các thành phần kết cấu composite lớn tương tự. Nó tăng cường các đặc tính của chất kết dính bằng cách cung cấp độ nhớt phù hợp, tính lưu biến tuyệt vời, đặc tính chống chảy xệ, cường độ liên kết cao và khả năng chống mỏi.
06. Các lĩnh vực ứng dụng tiên tiến
Bột silicon hình cầu rất thích hợp để giảm độ nhớt của nhiều loại nhựa và sơn, cải thiện độ lưu động và giảm thiểu sự hình thành gờ. Nó được ứng dụng rộng rãi trong các vật liệu và phụ gia tiên tiến, bao gồm:
- Chất tăng cường độ lưu động và chất giảm gờ cho nhựa đóng gói bán dẫn.
- Phụ gia bột carbon.
- Chất độn cao su silicon.
- Vật liệu thiêu kết và phụ gia.
- Chất độn cho vật liệu đóng gói dạng lỏng.
- Chất độn và chất nền nhựa.
- Ứng dụng trong công nghệ khoảng cách hẹp.
Bản tóm tắt
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp thông tin điện tử đã thúc đẩy nhu cầu về bột silicon hình cầu. Nó đã trở thành vật liệu sản xuất chính cho các tấm phủ đồng và mạch tích hợp. Đến cuối “Kế hoạch 5 năm lần thứ 14”, dự kiến lượng bột silicon hình cầu sử dụng trong các tấm phủ đồng sẽ vượt quá 55%.
Với tính chất hóa học ổn định, khả năng phân tán tuyệt vời và đặc tính thân thiện với môi trường, bột silicon hình cầu có nhiều ứng dụng rộng rãi. Nó đóng vai trò là chất phân tán trong ngành nhựa và lớp phủ, tăng cường độ hoàn thiện bề mặt vật liệu. Ngoài ra, ứng dụng của nó trong ngành hàng không vũ trụ, nhựa đặc biệt, lớp phủ cao cấp, sợi đặc biệt, cao su, hóa chất tinh khiết và mỹ phẩm tiếp tục mở rộng, cho thấy tiềm năng to lớn và tương lai đầy hứa hẹn của nó.
