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材料、工艺、应用需要密切配合——访南京航空

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-02-13 22:52 人气:

  大家好!我是中国粉体网的编辑记者安振华。“2019全国石英大会”在徐州隆重召开期间,我们邀请了多位来自科研院所、高等院校的专家学者做客我们的对话栏目,并就石英的深度提纯技术、高纯石英行业如何做强、粉体技术工艺的重要性以及产学研协作等一系列议题发表他们的看法和,同时也介绍他们的一些科研。现在坐在我身边的这位是来自南京航空航天大学的傅仁利教授。傅教授,您好。

  傅仁利教授(以下简称“傅教授”):大家好。我叫傅仁利,来自南京航空航天大学材料科学与技术学院,目前我们所从事的研究方向主要是针对微电子封装用的新型材料和第三代半导体、功率半导体用的高性能基本材料。

  中国粉体网:在5G通信等新兴产业领域,硅基材料有哪些应用?应用于电子、能源等高端领域的硅基材料,对于矿物原料及其加工企业有什么要求?

  傅教授:刚刚听汪灵老师的报告,我很有感触。材料本身没有、好坏之分,关键是你怎样去用它。刚才报告中强调了要把材料学的、地质学的、加工技术的知识等等都糅合在一块儿,比如说汪灵老师讲的提纯,提出一个问题,原矿的品位高并不代表后续一定能够提纯得更高,这个跟它的矿物类型、赋存状态有很大关系,这个恰恰是我们企业目前所欠缺的。

  据我初步的了解,大部分企业以加工型为主,他们发现了矿山,但是对于地质不了解,也不了解成矿原因,石英的类型非常多,晶体形状又有很多,而我们的企业往往没有这方面的知识,只是根据原矿的品位进行提纯,但是对于材料不了解,对于成矿类型不了解,单纯从加工角度是实现不了高纯石英的。

  另外,他们对下游的应用也缺乏了解,材料做出来之后是给下游用的,比如硅微粉是给做封装的企业和一些电子元器件企业用的,像汪教授讲的压裂剂,对于球形度是有一定要求的,像硅微粉也是有球形度要求的,而我们企业往往不了解这些。

  我很认同汪教授的观点,现在应该以找矿为主,把材料分门别类,什么材料适合做什么,发挥它们各自的价值,高端的材料做高端产品,低端的材料做低端的产品,把成本的问题处理好,低端材料产品也一样赚钱,企业也一样得很好。

  对于国家现在布局的5G、第三代半导体来讲,硅材料是不可或缺的,就像 5G上用的电子元器件,例如电容、电感等都离不了硅基材料,现在都是片式化、多层化,做得很薄,用的基础材料就是以含硅为主的,比如氮化硅、氧化硅、碳化硅,都是不同形式的硅,其中碳化硅是第三代半导体主力用的晶体材料,要考虑如何把它做成大尺寸、低缺陷的,高纯度的。

  现有的处理方式还是简单的矿物加工,这种方式加工的材料与达到电子级的是不一样的。电子级材料的加工手段、加工方法,甚至对成矿材料的特性都有要求,无论是第三代半导体还是5G对于频率都有要求。简单而言,第一代半导体材料是硅、锗,低频、低功率;第二代是砷化镓,高频、低功率;第三代是碳化硅和氮化镓,高频、大功率。

  包括对材料的认识、加工和应用,企业都需要从观念上有所转变,原矿实际上是下游的原料,原料要根据成矿条件、品位、结构、微观和宏观的性能去分门别类。如果按照我做材料的角度来讲,每一种材料都是有价值的,只是它体现价值的地方不一样。换句话说,生产型企业应该把自己的思拓宽一些。

  汪老师的报告给我的很大,一个不适合做高纯石英的矿,如果硬要做,一个是成本非常高,另外也可能对造成很大的影响,也就是它的加工工艺没有根据矿的特性去选择,也没有针对它的应用场景。比如说做硅微粉的只是针对传统的低频下的PCB板,那肯定适应不了5G对高频的要求,这是它所面临的危机。如果适应了,那就成为硅基材料的一个机遇。

  傅教授:这个需要打通来讲,首先要从矿物本身形成的条件来看,我们国家是最早做出普通陶瓷的,有明显的地域特色,比如说有景德镇、、、宜兴、佛山等等,跟它的矿物材料有关系,比如做陶的有它的要求,做瓷的有它的要求,现在还有一些合成的。

  我们首先需要关注它的粉体的化学组成、组织结构,包括微观组织结构,比如天然的矿物的结构,有的是网状结构,有的是层状结构,做成粉之后,单从外观上不好区分,比如白色的可以是石英粉、钛白粉、碳酸钙等,但是当你应用时,它的物理特性、比表面的形态、吸附特性等,包括在成型过程中的物理特性,甚至加工完成之后的化学特性、烧制过程中的一些变化等等都会对产品有影响。

  做原料的、做成品的、做应用的,是密切相关的,肖所长报告中也提到国家在做这方面的工作,从应用来牵头,他讲到现在存在“有材不好用”或者“有材不敢用”这样的问题,“有材不好用”可能就是没有根据下游应用的需求去做,而“好材不敢用”就是对自己的材料的特性不了解,所以这跟工艺、材料、应用密切相关,它们需要互相配合。像今天我们这个石英会议应该就是起到这样一个桥梁的作用。

  傅教授:因为最近几年在和企业做一些产业化应用的工作,我有些体会,产业界不是很积极,比如一些加工制造企业,由于他们的产品处于低端,利润率偏低,导致企业处于一个维持的状态,很难再有投入做这方面的工作,如果有投入,基本都是围绕生产过程当中的技术问题去做,而不会去做前沿的东西,比如为了适应5G的要求去开发粉体5年、10年之后的应用,他们基本不会去做这个,但是个别大企业比如华为、中兴等有在做这些前瞻的布局。

  我们目前所做的产业合作都属于工艺问题,企业遇到一些工艺上的问题,想在一两个月或者最长半年时间之内解决这个问题。真正布局两三年以后的前沿研发的企业比较少,但是这也取决于地方的经济发展以及科技投入的情况,有几个地方在产学研协作方面做得比较好,其中有参与决策,比如:江苏、广东、浙江以及后来跟上来的山东等,引导、鼓励企业和高校联合申报的项目,效果比较好,企业也愿意投入做一些前沿工作。据我的观察,最近几年最好最新的技术不是从高校出来的,而是在企业中做出来的,企业目前已经成为高新技术的主阵地了。

  但是,经济落后的地区在这方面确实存在问题。同时,企业家的认识也可能存在一定的问题,比如他赚钱的目的可能不是加大技术研发的投入,而是为了自身的消费和享受,当他的产品利润空间足够大的时候,他的动力就不足了,对于产业的持续发展也可能不再关心了。但是一些有“情怀”的企业家还是比较愿意适量做些投入的,比如南京航空航天大学每年会有不少与企业合作的项目,整个江苏还有广东的产学研合作还常活跃的。有经济基础才可能去这些事情,没有钱的情况再做其它事情也是不现实的。

  傅教授:我们目前主要是针对第三代半导体IGBT功率电子器件封装用的基本材料,像IGBT功率器件都是通大电流的,而且是耐高压的,所用的基板材料不是普通的PCB板,而是氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化铝这些基板,这些基板的突出特点是高绝缘、耐高压,另外还有高导热,比如氮化铝、氮化硅都属于高导热的,但是它本身要通大电流,就需要有一层导电材料,一般用的是铜,铜和陶瓷不能直接连接上,需要做一些连接的工艺,也称之为厚膜工艺或者金属化工艺,其中有几种类型,最简单的就叫厚膜工艺,用电子浆料的形式,还有一种叫直接覆铜,把铜跟陶瓷板覆接上去,然后再进行刻蚀电。

  我们大致做这些工作,它最大的应用场景就是电力机车,还有现在的新能源汽车,再有就是机器人。因为这块儿的投入比较大,我们现在跟一些企业洽谈,有的有意向,但是受制于我们目前技术的成熟度,还需要深入做中试、良率、成本考核等方面的工作,所以企业还是比较慎重的。

  傅仁利,南京航空航天大学材料科学与技术学院教授,长期从事材料科学与工程的教学与研究工作,在氧化铝陶瓷基板,白光LED新型荧光材料及光谱调控、氮化铝陶瓷粉末自蔓延燃烧合成、功率电子器件用基板材料和散热技术以及电子封装用高性能复合模塑料等方面进行了比较深入的研究工作,获得省部级科技进步两项,授权国家发明专利8项,实用新型专利1项。发表学术论文80余篇。担任《复合材料学报》和《Materials and Design》通讯编委。



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