西南科技大学孙红娟教授：70%-90%占比！硅微粉才是芯片封装的“隐形主角”

硅微粉是一种基础的无机非金属材料，在集成电路产业中具有不可替代性。本文采访了西南科技大学孙红娟教授，她分享了硅微粉的作用、制备方法以及未来发展方向。

记者：孙教授您好，感谢您接受我们的采访。首先请您简要介绍一下，硅微粉在集成电路产业中发挥着怎样的核心作用？

孙教授：在集成电路产业中，硅微粉作为一种基础的无机非金属材料，其地位具有不可替代性。它的应用深度贯穿于现代电子封装的多个关键节点。目前，硅微粉已成为环氧塑封料（EMC）、高频覆铜板/陶瓷基板以及先进封装底部填充胶等核心材料不可或缺的主体填料。具体而言，其不可替代的支撑作用主要体现在以下三个方面：

（1）在最广泛使用的环氧塑封料（EMC）中，电子级硅微粉的质量占比通常高达70%到90%。它的核心作用是调节热膨胀系数（CTE），使其与硅基芯片相匹配，防止芯片在冷热冲击中开裂；同时，它还能显著提升塑封料的机械强度、导热性能以及极佳的电气绝缘和防潮防腐性。

（2）在陶瓷基板与高频覆铜板（CCL）领域，特定规格的高纯硅微粉是优化基板性能的关键。它不仅能赋予基板出色的尺寸稳定性和刚性，更重要的是，高纯、低介电损耗的硅微粉能够大幅降低基板在高频信号传输中的介电损耗和延迟，这对于当前5G/6G等高频高速通讯设备至关重要。

（3）在倒装芯片、晶圆级封装等高密度先进封装体系中，超细、高球形硅微粉发挥着双重关键作用：首先，有效弥合芯片与基板间的热应力失配；而且，依托优异的流动性，完美渗入底层极狭窄间隙实现致密填充，确保工艺过程无堵塞风险。

记者：目前集成电路用球形硅微粉主要有哪些制备技术路线？各类路线的技术特点与适用场景分别是什么？

孙教授：目前主流的球形硅微粉制备技术主要分为物理法和化学法两大类，具体可以分为以下几条路线： 

（1）火焰熔融法：这是目前工业化应用最广泛、最成熟的技术。它通过将角形硅微粉送入高温火焰中熔融成球。特点是生产效率高、成本相对较低，工艺成熟；适用场景主要是常规的微米级、亚微米级球形硅微粉的大规模生产，广泛用于传统的集成电路封装。

（2）高温等离子体法：利用等离子体极高的温度使粉体熔融球化。特点是产品的球化率极高、表面非常光滑，且不易引入杂质；但缺点是设备昂贵、能耗高。适用场景是制备对球形度要求极高的特种高端硅微粉。

（3）化学合成法（如气相法、溶胶-凝胶法）：通过含硅前驱体在气相或液相中发生化学反应生成二氧化硅。特点是纯度极高，能够精准控制粒径分布，且能做到纳米级，不依赖天然高纯石英矿；但挑战在于原料成本高、工艺控制复杂。适用场景主要针对超细（纳米级）、超高纯（如低放射性，Low-α）的高端电子封装领域。

记者：我国电子级硅微粉制备技术目前是否已实现关键自主突破？与国际先进水平相比，主要差距体现在哪些方面？

孙教授：客观来讲，我国在电子级硅微粉领域已经取得了较大的进步，在常规微米级球形硅微粉、甚至部分亚微米级产品的制备上，已经实现了关键生产技术的自主突破。国内一些头部企业已经能够实现大规模量产，并成功打入国际头部封装企业的供应链，实现了高质量的国产替代。但在最顶尖的高端领域，我们与日本（如龙森、雅都玛、电化等企业）等国际先进水平仍存在一定差距，主要体现在三个方面：

（1）超细化与粒度分布控制：在百纳米级甚至更小的超细球形硅微粉的高效分散、无团聚制备以及极窄粒度分布的精确控制上，工艺稳定性还有待提升。

（2）超高纯度与低放射性（Low-α）控制：高端存储芯片对防止“软错误”要求极高，这需要极低铀、钍含量的Low-α硅微粉。我们在高纯原矿的稳定获取以及深度提纯技术上，与国外仍有差距。

（3）高端产品的批次稳定性：实验室里能做出来的指标，在放大到规模化量产时，如何保证千百吨产品指标的一致性，这也是我们需要攻克的工程化难题。

记者：当前集成电路向高密度、小型化、高频高速等方向发展，对电子级硅微粉的性能与制备技术提出了哪些新要求？您的团队围绕这些需求正在开展哪些研究工作？

孙教授：高密度与小型化（如先进封装、底部填充）要求硅微粉的粒径越来越小（向亚微米和纳米级发展），并且需要严格控制最大颗粒，以确保粉体能顺利渗入芯片与基板之间极其微小的间隙中，不发生堵塞。在5G/6G通讯中，随着信号传输频率的不断攀升，材料的介电损耗问题日益严峻。这就对电子级硅微粉提出了更为苛刻的综合性能要求。首先，材料本身必须具备低介电常数和低介电损耗的核心电学特性；其次，为了在封装基体中实现高比例填充并保持良好的加工流动性，硅微粉需要具备极高的球形度与球化率；同时，超高的纯度也是减少信号干扰、确保高频传输稳定性的关键前提。为了将介电损耗降到极致，行业目前甚至需要前瞻性地研发空心结构或具有特殊晶型的硅微粉，以应对未来通讯技术对封装材料的极限挑战。

我们团队目前的研究重点正是瞄准这些痛点。开展了以下工作：（1）高纯硅源提纯工艺优化，攻克超低杂质、超低放射性硅微粉制备技术；（2）亚微米级球形硅微粉粒径精准调控与窄分布控制技术；（3）高频低介电硅微粉原位表面改性技术，提升与封装树脂相容性；（4）高密度封装用高填充量硅微粉配方体系开发，适配芯片小型化需求。

记者：第三代半导体（SiC、GaN）对封装材料的耐高温、高导热性要求显著提升。硅微粉作为关键填料，如何通过表面改性或复合氮化铝、氮化硼等功能粉体，适配新一代半导体封装需求？

孙教授：第三代半导体功率密度大幅提升，散热成为了最大的瓶颈。传统的纯硅微粉虽然绝缘性和膨胀系数好，但导热率（约1.5-2.0 W/m·K）偏低，确实难以单独满足三代半导体的散热需求。

目前行业普遍的解决思路是对硅微粉进行表面改性或“复合化”。表面改性是采用硅烷偶联剂、耐高温有机树脂包覆改性，优化硅微粉与封装树脂的界面结合力，降低界面热阻，提升材料耐高温老化性能，解决高温工况下界面开裂问题。复合化是指硅微粉与氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）等高导热粉体进行粒径级配与协同复配，构建连续高效导热网络，将封装材料导热系数提升3-5倍；同时调控复合填料堆积密度，最大化填充量，兼顾低膨胀与高导热双重需求，完美匹配SiC/GaN器件高温高频封装工况。

记者：目前高端电子级硅微粉原矿依赖进口，成本与供应链压力较大。通过工艺革新与新型反应体系，化学法合成硅微粉能否实现低成本规模化？其产业化的关键节点可能是什么？

孙教授：高端石英原矿被“卡脖子”确实是目前行业的一大痛点，这也是为什么大家越来越关注“摆脱原矿依赖”的化学合成法。从长远来看，通过工艺革新与突破，化学法合成硅微粉是完全有可能实现成本下降并走向规模化的。它能从根本上解决高纯度和低放射性（Low-α）的难题。但要真正实现“低成本规模化”，我认为产业化需要跨越几个关键节点：

（1）廉价硅源的开发与替代：目前溶胶-凝胶法多采用正硅酸乙酯（TEOS）等有机硅源，成本极高。未来的突破点在于能否利用高纯工业硅副产物、高纯水玻璃（硅酸钠）甚至天然矿物等廉价无机硅源，结合新型纯化和成球工艺来制备。

（2）反应体系的连续化工程放大：化学法目前多为釜式间歇反应，批次稳定性差且效率低。需要开发微通道反应器或连续流化床技术，实现合成过程的连续化、自动化，大幅降低单位能耗和人工成本。

（3）改性一体化技术：传统的生产方式是“先制粉、后改性”，工序长、成本高。未来的技术趋势是实现合成与表面改性同步完成，将多步工序合二为一。这不仅能有效减少工序成本，还能让改性剂与粉体表面结合得更均匀、牢固，从而大幅提升产品在下游先进封装树脂体系中的分散性和适配性。

（4）能耗与副产物优化：必须在新型反应体系中简化后续的烧结、球形化等高温工艺，大幅降低能耗；同时，建立完善的溶剂闭路循环系统，实现副产物的资源化、循环化利用。这是降低综合成本、跨越环保门槛的必经之路。