有機硅是以產品開發(fā)為重點發(fā)展起來的,對高附加值下游產品的開發(fā)是幾乎所有有機硅企業(yè)的業(yè)務重點。綜合國內外情況,目前有機硅下游產品的開發(fā)主要集中在以下行業(yè)。
一、微電子工業(yè)
有機硅材料因耐熱、電性能優(yōu)越,早就在電子工業(yè)中以雙組分室溫硫化硅橡膠形式作為灌注料、包封料使用。其后,單組分室溫硫化硅橡膠和加成型硅橡膠又相繼成為電子工業(yè)新寵。目前,隨著電子工業(yè)的發(fā)展,除灌注包封材料外,還有很多種有機硅單體和特種有機硅精細化學品成為電子工業(yè)中的關鍵材料。
有報道稱,2010年電子產品對有機硅材料的需求將占有機硅總量的18%,硅凝膠市場的年均增長率為8.3%。另有報道稱美國、日本電子用有機硅材料需求年增長率分別為4.7%、6.4%,2010年市場規(guī)模將分別達到37億美元、3.8億美元,
1.涂覆、灌注、包封材料
1.1 發(fā)光二極管封裝
當前,使用節(jié)能的發(fā)光二極管(LED)作為重要的社會節(jié)電措施成為社會關注熱點,其可替代白熾燈,可用于汽車頭燈照明,具有重要的節(jié)能意義,發(fā)展前景看好。發(fā)光二極管的粘結、封裝、涂層或包封離不開有機硅材料。
高亮度發(fā)光二極管還被廣泛用于液晶顯示器的背光光源,發(fā)展?jié)摿薮蟆F鋵Ψ庋b材料的要求很高,不但要求透明、不變色,很好的光效率,還要求散熱性好、、高可靠。一般的環(huán)氧樹脂會受熱發(fā)黃,不能滿足高亮度發(fā)光二極管的封裝要求。而有機硅材料光學特性好,透光率90%以上,耐候、耐熱,高熱環(huán)境下不黃變,能吸收沖擊,粘結性好、柔軟,且兩個液態(tài)組分混合不產生氣泡,無溶劑,環(huán)保,符合封裝要求。近年來跨國公司陸續(xù)推出多種該類包封料和粘結材料,按材料形態(tài)有分凝膠型 、彈性體型、樹脂型(光學鏡片用)等,也有不同硬度(低、中、高)系列,固化方式則有雙組分室溫固化型、雙組分加熱固化型。許多產品折射率很高(達1.53),對波長400 nm的光線可透過90%以上。
一些公司圍繞增長快速的LED市場,推出了高粘度、高純度及耐潮濕、熱穩(wěn)定的有機硅密封膠。還有公司開發(fā)出LED專用雙組分液態(tài)有機硅高折射率、高硬度硅樹脂,可以灌注和封裝一起完成。還有一種專門用于LED封裝,透明、厚密封的封裝膠是用含有若干個乙烯基的聚硅倍半氧烷(用乙烯基三甲氧劑硅烷與其他烷基三甲氧劑硅烷做成)與甲基氫四環(huán)體作用再加熱固化制成的。
1.2 液晶面板薄膜晶體管(TFT)平面化
液晶面板薄膜晶體管平面化也是研究熱點,它需要新型透光性涂覆材料。傳統的透明涂覆材料一般是丙烯酸酯系,但丙烯酸酯系在受熱后會變黃,而有機硅材料受熱后不會發(fā)黃,且透明性好、耐久,用其涂覆的液晶面板對比度好,也不會因凹凸原因使液晶配向混亂導致對比度差而影響性能。數據顯示,聚硅氧烷系列材料在波長400 nm時透過率達98%,而丙烯酸酯系為88%。
因液晶面板薄膜晶體管平面化是熱點,所以各公司競相推出新產品,競爭十分激烈。有家公司推出了耐熱、機械強度好、價格低的雙組分凝膠,不但適用于電子工業(yè),而且適用于汽車、航天、通訊等領域。
1.3 散熱用硅材料
散熱用硅橡膠方面研究較多:如用于CPU發(fā)熱體與散熱體間的熱傳導材料等。該類材料耐熱性好,有長期穩(wěn)定良好的絕緣性、難燃性。還可用于家電、游戲機、汽車電器等。
超低硬度散熱用硅橡膠的硬度可以做到只有傳統產品的1/10,導熱率高,在凹凸表面接觸好,有的品種的導熱率2.7 W/mk,厚度一般為0.5~5 mm。
1.4 光刻膠
有兩家公司合作開發(fā)了含大量硅的光刻膠,這對光刻膠行業(yè)來說是個突破。該類光刻膠是兩家公司用各自特有的聚合物及光敏材料共同生產的,解決了過去使用單純的硅材料會放出氣體的問題。據稱該產品主要用于65 nm芯片。
此外,有材料顯示可將硅材料用于可充電電池,包括陽極和陰極膜,能增強電池的電量和性,該領域已有人用含環(huán)氧基的三甲氧劑硅烷和四乙氧基硅烷與聚苯并咪唑做成鑄膜。
2.電子工業(yè)用有機硅單體
為使半導體器件小型化,須千方百計降低k值,以提高信號處理速度,降低能耗。這一領域使用了多種有機硅單體。主要有:
2.1 三甲基硅烷(CH3)3SiH
三甲基硅烷單體(3MS)是制作以硅為基礎的低k值(k=2.7或2.2)的層間絕緣物(ILD)和擴散阻隔膜的原料,使用三甲基硅烷單體對環(huán)境無害、價廉。先進半導體器件低k值內層絕緣主要用于制造線寬90 nm的器件。有公司已在進行數十噸規(guī)模的三甲基硅烷的生產。
2.2 聚硅氮烷(PHPS)
聚硅氮烷具有玻璃的性能,收縮率小,高透明,耐熱,光滑,耐磨,主要用于半導體,它在半導體底材上能形成淺溝,適用于半導體工業(yè)65nm以下的線條,還可作汽車保護涂料,防污、外墻涂料等許多用途。由于存儲器等先進半導體器件的需求擴大,其用量增長迅猛,有公司聚硅氮烷產能近年來已擴大了5倍。
2.3 四甲基環(huán)四硅氧烷
線條寬度90 nm和65 nm芯片制作中的低k材料,仍廣泛使用前(驅)體為Me3SiH或四甲基環(huán)四硅氧烷的摻碳的二氧化硅。用CVD法沉積四甲基環(huán)四硅氧烷獲得的硅芯片k值約為3。
2.4 甲基二乙氧基硅烷
有公司用甲基二乙氧基硅烷做成多孔的低k材料。(porous diethoxymethylsilane)CVD法沉積甲基二乙氧基硅烷時使用有機致孔劑萜品烯(porogen(poro-generating materials)如α-terpinene(萜品烯,松油烯)),再通過紫外線固化燒掉致孔劑留下孔,使k值低于2.5。有的公司已將此技術用于下一代32 nm的芯片開發(fā),預計2009年推出產品。
2.5 聚硅倍半氧烷(POSS)
聚硅倍半氧烷或稱多面體籠形聚硅倍半氧烷(RSiO1.5)n是一類屬于“納米”材料范疇的有機-無機雜化物。聚硅倍半氧烷中Si-Si的距離為 ~ 0.5 nm;R-R的距離為 ~ 1.5 nm。這類化合物的特點是無低分子物放出、對環(huán)境無害,有固態(tài)的、也有液態(tài)的。
這種多面體聚硅倍半氧烷在上世紀末就已開發(fā)出很多用途,其添加到聚合物中可以提高聚合物的耐熱性和粘彈性等,如其與聚酯相混后,聚酯的熔點、Tg、彎曲模量和強度都有提高。
對于它的研究開發(fā)仍方興未艾,這是因為籠形聚硅倍半氧烷分子結構中R基團可以根據性能要求而隨意變更,如含羥基的T8-硅倍半氧烷可作為熱塑性塑料的改性劑、中間絕緣層、密封劑、涂料等。含苯基的籠形聚硅倍半氧烷可以與聚碳酸酯做成復合材料,能保持透明性,還能提高機械強度。含對硝基苯鈦的籠形聚硅倍半氧烷可作為PET的催化劑。含羥基的籠形聚硅倍半氧烷也可以看作是高功能化的多元醇,可用它作為聚合物的結構單元。
籠形聚硅倍半氧烷是一類在電子等領域有很大應用前景的化學品。例如:為了制造更小的芯片,所使用的材料包含聚甲基硅倍半氧烷,也有聚氫硅倍半氧烷。一般加入致孔材料后材料k值可降至2.2;聚氫硅倍半氧烷還可作超高解析光刻膠。
目前由一家日本公司經銷、美國開發(fā)的Q8系列(Q1~Q8)聚硅倍半氧烷,能制作LED封裝料、光刻膠等,在日本每100克售價數萬日元(合數百美元)。該公司預計到2010年銷售額能達到5億日元(約500萬美元),足以說明其作用。
3.研發(fā)新動向
3.1碳化硅
一些跨國公司正著力研究碳化硅(SiC)材料,并使之工業(yè)化,這類材料是寬帶隙器件的重要材料,可用于雷達、手機制造等,將成為下一代功率半導體元件的原料。其主要原料是硅烷。單硅烷在電子工業(yè)早有應用,包括制聚硅烷、氧化硅、氮化硅等。
主要跨國公司與電子信息工業(yè)的合作反映出其發(fā)展重點正放到以硅為原料的材料和電子工業(yè)所需的硅化合物。
3.2 有機發(fā)光材料
據報道,有機發(fā)光材料的研究開發(fā)也包含有機硅材料的研究。如含咔唑的聚有機硅氧烷的持久場致發(fā)光器件;有發(fā)光性(發(fā)綠/黃譜)的六甲基二硅氧烷等離子沉積膜;蒽的硅烷基化衍生物用作發(fā)光化合物、熒光發(fā)光體主體,電子輸送材料,可制作場效應管,有機薄膜晶體管、有機集成電路、有機太陽能電池、有機電發(fā)光器件等。