电子工业用化工新材料的新进展

罗益锋 罗晰旻

一、概述

电子工业用化工原材料是制造军民两用电子元器件、集成电路和先进可靠电子系统等的基础材料，包括超净高纯试剂、特种气体、超纯水、彩色萤光粉、半导体材料、永磁材料、光刻胶、封装材料、抛光材料、镀膜靶材、硅片、平板显示材料、柔性有机发光显示材料等，细分有2万多种。

随着电子原器件朝小型化、微型化、轻量化、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发展，对化工新材料提出了更高的要求。碳纳米管、石墨烯以及超高性能、超轻新材料、新一代多功能材料、智能材料和散热材料的出现，把电子元器件的应用领域拓展到宇宙深空、平流层和深海等前所未有的领域，使新型武器系统、单兵装备和日用电子消费品等更加先进、实用和可靠。

二、电子元器件技术及其相关新材料新进展

1.半导体发光二级管（LED）的新进展

LED照明元件因具有高效、节能、环保、体积小、寿命长等特点，可实现用较小的能源点亮世界，我国在这方面已经普及。

中国台湾南亚光电股份有限公司通过在80W新式L E D灯采用多色发光技术和搭载传感器，在19.8～36.3m2面积表现出256种颜色，并自动再现了一天的日照。今后将开拓在老龄设施和具有播放音乐功能的娱乐市场的推广应用。

香港Optiled照明公司生产的LED灯PZ系列（40型），与以往的标准品相比，价格只有30%，耗电削减60%，实现发光效率132 lm/W，全光束2 200 lm。现开拓B2B领域的应用，今后将以2位数的需求增长。

Aluflex日本公司与京瓷公司共同开发了紫光LED照明，接近自然光，光源设计寿命是蓝光LED的2.5倍，相当于1万h，目前正开拓住宅照明等市场。

日本大同钢公司开发了利用交流电伺服马达用光学式编码器的适用于高温的LED，作为仅从微小发光窗放射出来的点光源LED，首次实现温度上限为150℃，适用于高温作业机器人等。

旭化成集团下属的Crystal IS公司开发了深紫外光发光二级管（UVC-LED），波长200～280nm特别是250～280nm范围，兼有高杀菌和霉类的功能，适用于医院等的小型杀菌装置。

日本田中贵金属和S.E.I公司开发了采用含0.1um金微粒低温接合材料进行倒装芯片键合的高输出功率LED模块，这些金粒可缓和热膨胀时的变形，因此可采用廉价金属基板，无需引线，易散热，实现小型化和提高电气特性。

2.有机电子照明（OEL）

图1示出2种OEL元件的结构，目前以小分子发光材料为主，高分子材料是未来的发展方向，它是在电场驱动下靠载流子注入和复合使有机材料发光，由于全是固态材料，具有主动发光、超薄、柔性和节能等液晶所没有的特点。

目前高档智能手机是牵引其发展的主要市场，韩国三星旗舰手机和美国苹果的新一代Apple watch3已使用它，预期到2017年液晶和OEL的市场份额将各占50%。现生产OEL显示器的厂家只有韩国三星和LG公司，并提供给中国和其他公司，苹果公司将于2017年生产中、小型OEL显示器。

Seiko Epson公司开发了1英寸以下的超小型OEL显示器，并应用于时尚的眼镜BT-300，根据所用的不同OEL材料可发出3种不同原色，如图2所示。

美国Sinaptech公司观察到搭载OLE显示器的汽车越来越多，因此急于开发驱动IC和触摸式认证指纹闱传感器，并将8-20型OLE装配于欧洲各大汽车公司高档式样的中心控制盘上，实现可操作电话、音频和察看地图等的功能。

3.发光材料及彩色萤光粉

日本出光兴产株式会社在OELD方面积累了30年以上的技术，拥有超过2 000件专利，包括发光材料及其周边材料的解决方案。该公司自1985年便开始研究OELD材料，现已配剂萤光、磷光、TADF（热活性型迟延材料）发光材料、电子输送材料、正孔输送材料、正孔输入材料等相关联材料。

随着OELD的普及，对寿命、效率和色调等的要求比以往高，目前最大的课题是开发发光材料，即萤光和磷光材料。萤光材料只有25%电能不能转化为光，剩余的转化为热能，而磷光材料则100%转化为光，红和绿萤光材料正在实用化。至于对应于萤光的蓝光，正与磷光材料并行开发，同时开发与磷光同样转化为100%光的TADF。

住友化学株式会社追求独创的路线，采用涂覆方式面向OEL的高分子材料，对应于先前的低分子材料蒸着方式，具有明显的成本竟争优势，目标是于2018年实现在显示器和照明2方面的产业化。

目前与液晶相比，如何降低成本是今后的研究课题，该公司先将高分子材料溶于溶剂中制成油墨状，然后用喷涂方式只在必要的部分用必要量进行涂覆，使用效率极高。同时高分子可根据需要进行分子设计，与低分子相比可具有更多的功能，同时为配合有机柔曲膜，急于开发将树脂制的视窗膜、触摸式传感器和偏光板的功能组合起来的部件。

另外，OEL照明与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为突破口，致力于照明等用途开发，将来的目标是普及应用于民用住宅。

新日铁住友化学株式会社在精密有机合成技术方面很强，其高发光效率的磷光发光材料已投放市场，绿色和红色也正量产，现急于投产蓝色产品以实现全磷光化，在这方面该公司处于领先地位。磷光发光材料理论上可100%转化为光，但耐久性有待进一步改进，而且发光时耗能高，蓝光的开发有难度，现与九州大学共同开发TADF（热活性化迟延萤光），这2项是今后的市场化课题。

保土谷化学工业公司在蓝色萤光材料产品质量方面处于领先水平，其发光效率高、寿命长、颜色再现性优，中、美、韩在时尚手机的需求量大。现正开发红和绿色的材料，同时推进发光材料与输送材料等相组合，以此进一步提高发光效率。同时研究开发磷光与TADF相结合的蓝色发光材料。

我国有许多科研院所、高校和企业研发与生产彩色萤光粉和发光材料，其中河北师范大学研究白光LED用钼酸盐红色萤光粉水热合成法，在反应机理、水的作用和制造工艺作了进一步研究，有助于改进存在的问题。

沈阳师范大学研究综述过稀土摻杂硼酸盐发光材料的各种制法，包括高温固相法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热/溶剂、燃烧法、喷雾热解法、硝酸盐热分解法等，认为后者有良好的化学与热稳定性，应用前景广阔。

五邑大学研究了掺杂Mg离子对CaSi202N2：Eu2十萤光粉的发光性能，分析掺杂前后发光强度变化、晶相结构及颗粒形貌特点等，对改进发光强度等有一定价值。

4.电子特种气体

电子特种气体主要应用于集成电路和平板显示，中高端产品均被国外垄断，主要生产厂家有美国气体化工、普莱克斯、日本昭和电工、日本酸素、岩谷气体、英国BOC、法国液空等。特种气体有高纯气体、半导体材料气体和标准气体3大类，半导体气体呈现高密积化、工艺过程多样化和品种多样化趋势。

据统计在21种气体中需求量最大的是高纯氨，主要用于LED和液晶板等制造过程中用于形成氮化膜，其次是三氟化氮，用于洗净液晶板，再次是一氧化二氮。

我国电子特种气体的主要研发和生产厂家有中船重工718研究所、江苏南大光电材料股份有限公司、佛山市华特气体有限公司等。

近年来一些含氟类气体如三氟化氮、六氟化钨和六氟乙烷等，已应用于国内8英寸和12英寸集成电路生产线上，6N高纯氨已应用于LED生产，但和其他新材料一样产品纯度和质量稳定性与国外产品尚有较大差距。

5.高纯试剂

高纯试剂包括光刻胶配套试剂、湿法蚀刻剂、湿法清洗剂、芯片铜互连电镀、剥离液、缓冲液等，其中用量最大是集成电路用高纯试剂。

我国高纯试剂的主要生产厂家有十几家，如上海新阳半导体股份有限公司、江阴江化微电子材料股份有限公司、江阴市润玛电子材料有限公司、多氟多化工股份有限公司和苏州瑞红等公司。

湖北兴福磷酸和浙江凯圣氟化学有限公司的氢氟酸，已应用于8～12英寸工艺中，上海新阳开发的电镀硫酸铜及添加剂也已应用于8～12英寸铜制程中。

在电镀液方面，上海新阳已可小批量供应8～12英寸集成电路厂家，但国内大都由美国乐恩化学公司供应。光刻胶剥离液和清洗液仍由美国杜邦公司龚断。

中国台湾东京应化工业公司为适应新一代半导体集成电路向线幅10nm以下发展，正建设超高纯度清洗液，并进而向满足线幅5nm的更新一代产品发展。

6.新型集成电路膜

AgIC公司最近开始确立注射法制造600mm宽的轧延状成卷聚酯膜的技术，可随时向BtoB供应大型吸附静电的片材，并提供常温固化型导电粘合剂，且在半年内确立制备电阻值下降2个数量级的聚酰亚胺片材，即最小线/空间比为0.3/0.3mm、电阻值每单位面积0.3Ω，满足未来片状柔曲印刷线路基板的需求。

7.透视型电子屏幕

日本OPtiled Lighting公司除生产薄型节能LED显示器外，最近致力于开发透视型的基板，即在基板间隙设置遮蔽帘实现可透视化，既可消除空间的压迫感，又可使外光射入室内而保持明亮。首先投入薄型的简易产品，使之具有6 000尼特（nt）的高辉度，该亮度不亚于太阳光，而且视野广，给人以屋外的明亮感觉，并具有IP65的高防尘防水功能。另外，还投产了在红绿蓝间置入白色LED的“MCS”系列，可在保证画面质量的前提下，使耗电量控制在约40%。

8.产业用液晶触摸屏

目前产业用液晶市场正以年均5%的需求增长，而车载用液晶市场却以10%增长，为此日本三菱电机公司重返并强化产业用触摸屏事业。该公司的产品在工厂自动化机器、工作机械、测量仪、飞机、医用机械、船舶、建筑机械和农机等广阔领域在日本拥有最大的市场份额，但在车载方面的市场份额不大。

在技术方面，强化手机用的静电容量（PCAP）触摸屏，而产业用可设置于噪音大的场所和屋外风雨及风雪交夹的地方。触摸屏的表面易损伤，该公司将自家开发的PCAP传感器埋入玻璃的中侧，可提高耐久性。

车载叶静触摸屏的由于体积大，成为中小企业虎视眈眈的目标，因此大型玻璃基板的竟争激烈，而该公司重点开发小型2.5代的玻璃基板，根据需求提供少量而多品种的差别化生产。

9.高分子厚膜热电变换材料

东京农工大学开发了具有热能转化为电能的柔性高分子厚膜，其隔热性高，而且该厚膜是由发泡树脂制成，通过泡中的空气层维持隔热。利用轻柔而又导电高分子的特点，如衣料或被褥等与上述材料一起开发能发电的衣服和被褥等。利用家电等低温热源周边作为隔热材料，预期也可用作需要热源的辅助电力发电，还可与太阳能电池相组合用于阴天夜间屋顶的发电辅助。

10.新型芯片

英特尔新上市的第6代酷睿处理器“SkyLake”，可整合无线电充电，其realsense实感技术，还具有脸部识別功能，使PC、平板电脑、手机等终端设备可通过脸部辨别来解锁，无需按密码，使用极为便捷。

该公司还量产了可用于工作站的72核超级芯片，代号“Knights Landing”，该新颖的超级工作站可进行复杂的科学计算、编写和测试代码，然后在超级计算机上部署和执行。

东芝首创超低功率“蓝牙+NFC”组合芯片，可应用于智慧生活的4大应用领域：能量与生活、汽车、记忆与储存、移动与连通，其中监控摄像头采用专业镜头控制芯片，可同时控制自动对焦和变焦镜头、光圈和IRC马达。它把ARM芯片、DSP、马达驱动芯片、模拟电路及镜头控制反馈电路全装在一个芯片内，可提供完整的lP自动对焦模组解决方案。

意法半导体（ST）公司推出2款拥有静电放电与瞬间电压防护功能的控制区域网路汇流排的ESD保护芯片，具有最高3.5pF的低电容，有助于降低高速通讯设计成本和简化设计。

重庆邮电大学研发出全球首款工业物联网SlP芯片CY2420S，主要用于工业自动化设备，使生产线实现无线智能化控制，摆脱生产线上密集的有限网。

中国航天科工集团772研究所研发生产的微处理器（CPU）芯片，已应用于北斗卫星，使之全部实现国产化，这种宇航芯片具有抗宇宙射线辐射特性。该所已研制成功200多种抗辐射集成电路并出口国外，还生产北斗卫星的数据总线路、转换器、存储器等近40款产品。

11.导热与散热材料

导热和散热材料是半导体等器件所必备的重要辅助材料，广泛应用于军民两用领域，从材料形态看有粉体和纤维状或片材，从材质分类有无机物、高分子和金属类。

（1）陶瓷粉体

用的最多的是六方晶氮化硼（hBN），三菱化学公司开发了hBN球状多晶片，粒子大小为数μm-100μm，其所有方向都可导热，导热系数为70W/（m·K），2017年刚开始量产。将它与环氧树脂基体混合制成绝缘复合材料板销售，所用环氧树脂热膨胀系数小、杂质少。可用于电动汽车电池、风力发电系统的变电器所搭载的半导体元件、产业机械的功率半导体等，到2020年的销售额预期为数十亿日元。

昭和电工公司开发导热性更高的hBN，其热稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性优良，介电常数低，适用于电动汽车所搭载的设备和功率半导体。

若与热控制和放热部件合起来算，世界市场为2 000亿日元以上，到2018和2020年将各增长至2 500亿日元和3 000亿日元。

（2）纤维类

东洋纺开发了沿厚度方向具有导热性有机纤维取向的高导热绝缘片材，树脂选用热固型聚酯，纤维采用本公司的PBO纤维“Zylon”。其复合材料的导热系数为13W/（m·K），若要更高导热系数的散热绝缘材料，可同时加入碳、金属、陶瓷等填料高密度配合，柔软性好，由于界面处没空气，不会造成热传导的损失，目前只在试验设备上试制小尺寸产品。

中科院成都有机化学有限公司开发了碳纳米管（CNT）散热涂料TNRC，可大幅提高金属或非金属材料表面热辐射效果，并已成功应用于消费类电子产品。

铜和铝的热辐射性能差，不能满足电子消费品的散热要求，而加入世界上最黑的物质CNT后，辐射系数接近1，是最好的散热材料。在材料表面上涂覆TNRC后，其涂層TNRC的导热系数可达20W/（m·K），热辐射系数大于0.95，表面电阻大于106Ω，并具有良好的耐水性和耐酸碱性。

中山宝立得高分子材料有限公司也已小规模投产混有小量CNT的散热及重防腐涂料。

至于需要超高导热和散热的材料，莫过于中间相沥青基碳纤维，有3家公司生产，三菱树脂、美国Cytec和日本石墨纤维（NGF）公司。以NGF的产品“Granoc”为例，超高导热纤维有4个档次的产品：XN-100短切和研磨纤维：900W/（m·K）；HC-600研磨纤维：600W/（m·K）；CN-90：500W/（m·K）；CN-80：320W/（m·K）。

三、结语

电子工业用新材料品种繁多，应用领域广，创新发展快，不可能都一一介绍，其中有些重要内容如半导体材料、传感器材料、光刻胶、封装材料、抛光材料、镀膜材料等，因国内学术会议和许多期刊都有发表，此处未作介绍。