微球—又一被国外垄断的材料,中国关键材料制造到底有多难

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除了芯片,我们仍有许多材料被外国企业卡着脖子。微球,现代工业的基础材料,被国外企业垄断。仅微电子领域,中国每年就要进口价值几百亿元人民币的微球。这种球,直径是头发粗细的三十分之一。少了它,你正盯着的液晶屏幕将无法生产。

液晶屏的骨头,芯片的脚

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纳微研制的LCD微球

“2017年中国大陆的液晶面板出货量达到全球的33%,产业规模约千亿美元,位居全球第一。但这面板中的关键材料——间隔物微球,以及导电金球,全世界只有日本一两家公司可以提供。这些材料也像芯片一样,给人卡住了脖子。”国家“千人计划”专家、苏州纳微科技公司董事长江必旺博士说。

手机屏幕里,每平方毫米要用一百个微球。“间隔物微球撑起了两块玻璃面板,相当于骨架。在两块玻璃面板的缝隙里,再灌进液晶。”江必旺说。

“微球决定液晶屏的厚度和均匀性,因此所有球要大小一样。微球还得足够强韧、光滑,不含一点金属杂质。”江必旺说,否则会影响显示质量。

除此以外,还有一种“光扩散微球”,大量涂抹在光扩散膜,用于液晶背光模组。

微球另一个重要的用途,是芯片的引脚。电路常用焊锡连接,但现在的芯片太小,引脚小到看不清,导电金球就替代了焊锡。

几微米直径的微球,混在绝缘胶里,构成“各向异性导电膜”。这层膜贴在芯片和主板之间,需要接脚的地方给予压力,小小金球就会在两者之间导电,这是现在微电子业标准的办法。中国从日本进口导电胶膜每年要花费上百亿元人民币。

微球太小,筛分困难

江必旺说,无论是间隔物微球,还是导电金球,粒径要非常精确和均匀。

微球的材料是塑料或二氧化硅。制作微球,第一步,在反应液里,塑料或者硅烷变成液球,并且固化。“就好像油快速搅拌在水里,会分散成小球一样。”江必旺说。

这种方法做出的微球有大有小,需要精密筛分。“用一般的筛子是做不到的,因为微球每隔0.2微米是一个规格。2微米和2.2微米的两种球,要分开是极其困难的。世界上只有日本的公司可以筛分这种微球,周期长达6个月。”江必旺说。

筛分工艺是行业秘密,大概原理是利用大小球的浮力不同,下沉有快有慢,在液体中分离。

生产导电金球,还得多几道工序:表面处理后,镀上一层金或者镍。100纳米厚的这层金属,必须薄厚均匀;球和球互不粘连。普通镀金工艺是行不通的。

由于技术门槛极高,导电金球生产被日本的积水公司垄断。

没有微球就造不出生物药

江必旺博士经过十多年研发,绕过“筛分法”,发明“种子法”,打破了日本的技术垄断,将让下游产业极大受益。

种子法是让几纳米大的塑料或者二氧化硅充当种子,在适当的化学环境下慢慢长成微球。长出来的微球个头一样大,不需要筛分。生产周期只有6天。

没有微球,食品安全检测、疾病诊断、环境监测……许多行业都会陷入窘境。制药厂尤其离不开微球。江必旺说,用于提取生物药的微球,表面有很多孔道,可以吸附特定大小的分子。

“一克微球的表面积,相当于一个足球场,如果微球表面有一些特殊基团,就可以选择性吸附药物有效成分。”江必旺说,全世界的生物制药都必须使用微球做色谱填料。

这类微球不仅需要控制大小、均匀性,还需要控制孔道结构,难度很大,过去只有欧美几家公司能生产,现在苏州纳微也已经可以量产。

国产原材料不纯影响微球性能

尝试生产微球的江必旺,遇到了想象不到的困难。

“在开发液晶间隔物微球材料时,首先就遇到国内基础原料质量差的问题。”江必旺说,“苯乙烯是通用的化工单体,国内产能位居世界首位。但国产苯乙烯和二乙烯基苯杂质含量高,尤其是萘含量高,用其生产出来的间隔物微球机械强度低、变形大,不能满足控制液晶显示的要求。”最终,纳微公司只得选用国外的原料。

“另外,生产高性能微球需要用不锈钢反应釜。经多次试验,发现用国产反应釜生产的微球,铁含量超标;我们花了一年的时间,尝试了很多家的国产反应釜,都是一样的问题。而用进口的铁含量就达标。”江必旺说。

“虽然纳微开发了比日本先进的微球制造技术,但由于国产的原料质量及不锈钢性能问题,浪费了大量时间和精力。”江必旺说,“从这个案例可以看到,中国做关键材料和关键部件的难度有多大。”

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