1 國際狀況
國際上球形硅微粉生產(chǎn)技術(shù)主要為日本、美國、德國及加拿大等少數幾個(gè)國家掌握，全球封裝材料市場(chǎng)大部分由日本、美國企業(yè)主導。日本是目前世界上對石英粉體球形化研究最早也是開(kāi)發(fā)最成功的國家之一，其生產(chǎn)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，生產(chǎn)的高純球形硅微粉已被廣泛應用到航天航空、超大屏幕電子顯像和大規模集成電路中，產(chǎn)品出口到世界各國，而其所使用的原料大多來(lái)自于中國大陸。生產(chǎn)高純球形硅微粉的球化技術(shù)多以高溫熔融噴射法和火焰燃燒法為主，并在世界各國申請專(zhuān)利，尋求世界范圍內的保護。
據有關(guān)專(zhuān)利文獻介紹，特開(kāi)2007-005346號公報?特開(kāi)2004-175825號公報?特開(kāi)2001-233627號公報?特開(kāi)昭60-106524號公報?特開(kāi)平11-57451號公報?特開(kāi)昭58-145613號公報?特開(kāi)昭62-241543號公報?特許第3331491號公報?特許第33122228號公報等披露的是日本不同時(shí)期開(kāi)發(fā)出的無(wú)機質(zhì)（包括硅質(zhì)）粉末球形化制造裝置及工藝技術(shù)。US5743930A披露的是20世紀90年代末期日本在美國申請并已經(jīng)授權的球狀無(wú)機粉體顆粒制造專(zhuān)利技術(shù)。公開(kāi)號為CN101267879A的專(zhuān)利是日本大陽(yáng)日酸株式會(huì )社在我國境內申請的制備無(wú)機質(zhì)球化粒子（包括球形硅微粉）的發(fā)明專(zhuān)利之一，該專(zhuān)利詳細介紹了一種無(wú)機粉體（包括硅微粉）的球化裝置及其運行方法，球化裝置包括球化爐、旋風(fēng)器和袋濾器，球化爐的主體設有一個(gè)燃燒器，氧氣或空氣等助燃氣體與丙烷等燃料氣體在燃燒器中混合燃燒，使輸送進(jìn)去的無(wú)機粉末與高溫火焰迅速混合、熔化并球化，并通過(guò)導入的空氣迅速冷卻后帶出，經(jīng)旋風(fēng)除塵及濾袋收集等措施得到成品率達95%，具有良好球狀形態(tài)的粒子。
US20110133353A1也是日本近幾年在國外申請的用于制造無(wú)機球狀顆粒的類(lèi)似專(zhuān)利之一。US6360562?US6623856?US6702994?US6866929?US6993934?US7631518?US778798?US8252212?US8272859?US8393892?US20110135775等都是介紹無(wú)機質(zhì)包括石英粉體顆粒球形化裝置及方法的外國專(zhuān)利，在此不一一詳述。國外尤其是發(fā)達國家對粉體顆粒球形化技術(shù)的重視程度和知識產(chǎn)權保護力度之大可見(jiàn)一斑。
國外對球形化技術(shù)及關(guān)鍵裝置除申請專(zhuān)利保護外，對生產(chǎn)廠(chǎng)核心部位的保密意識也非常強，幾乎全部采用封閉式管理，不允許任何第三方進(jìn)行參觀(guān)考察，比如日本對我國出口的高技術(shù)球形石英粉參數一向采取保密措施，德國甚至將高技術(shù)石英粉視作戰略物資而限制出口。這些都是值得國內企業(yè)學(xué)習的地方。
2 國內狀況
與國外相比，我國對石英粉球形化技術(shù)的研究起步較晚。強大的市場(chǎng)需求和高額的利潤空間，先后吸引了國內多家研究單位、大專(zhuān)院校及相關(guān)企業(yè)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到政府的支持。從制備方法上看，目前國內由晶態(tài)石英粉直接轉化為非晶態(tài)球形石英粉的方法主要有等離子體法和氣體燃燒火焰法。
從有關(guān)媒體上可了解到國內一些關(guān)于球形硅微粉研究、開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)等方面的信息，大多聲稱(chēng)取得重大突破，達到國際先進(jìn)水平，但實(shí)際情況并非如此。有的的確進(jìn)行了研究和探索，但不是很成功；有的根本就沒(méi)有開(kāi)展這方面的工作，但有這方面的遠景規劃；甚至還有的廠(chǎng)房都沒(méi)有，就在網(wǎng)上發(fā)布相關(guān)信息，正所謂“兵馬未動(dòng)，糧草先行”。
不過(guò)國內的確有些單位做了不少工作，經(jīng)過(guò)多年努力，有的獲得理論上的支持；有的獲得較好發(fā)展，并進(jìn)入量產(chǎn)階段。江蘇省連云港市晶瑞石英工業(yè)開(kāi)發(fā)研究院對高頻等離子體法制備球形石英粉關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)行了研究，并通過(guò)部級鑒定；云南超微新材料有限責任公司對等離子高溫熔融方法生產(chǎn)球形石英粉技術(shù)進(jìn)行了研究探索。等離子體法由于設備要求高，制作復雜，技術(shù)難度大，能耗高，效率低，批量生產(chǎn)相當困難，目前基本都處于實(shí)驗室或小批量生產(chǎn)階段。
氣體燃燒火焰法是目前國內研究進(jìn)展較快、技術(shù)相對成熟的方法，除實(shí)驗研究外，開(kāi)始逐步進(jìn)入量產(chǎn)階段，但無(wú)論是從產(chǎn)量上還是從產(chǎn)品質(zhì)量上與國外相比還存在不小差距。
中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料工程學(xué)院以普通角形石英粉為原料，以氧氣－乙炔火焰為熱源制備了球形硅微粉，其球化率達90%以上，非晶態(tài)率達到99%以上，純度可達99.80%以上，各項指標都比較好，取得了較好的實(shí)驗效果，實(shí)驗裝置單產(chǎn)每小時(shí)可達百克級以上。
位于浙江省湖州境內的某電子基材有限公司據稱(chēng)是引進(jìn)的日本技術(shù)，通過(guò)多年的消化吸收并加以改進(jìn)，其生產(chǎn)能力可達年產(chǎn)3000t球形石英粉，其原料主要是來(lái)自于國內的石英粉，產(chǎn)品粒度分布、非晶態(tài)率及球化率均比較好，不足之處是相對國外純度較低，因而價(jià)格相對較低。
由中國建材集團與某研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的粉末球化技術(shù)擁有完全的自主知識產(chǎn)權，目前在國內處于領(lǐng)先水平，經(jīng)過(guò)多年努力先后獲得多項國家專(zhuān)利，方法是以天然氣為燃料氣，以氧氣為助燃氣，以天然晶態(tài)石英砂為原料，采用火焰法制備無(wú)機質(zhì)球形顆粒，產(chǎn)能每小時(shí)可達到百公斤級以上，產(chǎn)品球化率可達95%以上，非晶態(tài)率可達97%以上，產(chǎn)品純度較高，已開(kāi)始在較高端的EMC中應用，前景樂(lè )觀(guān)。
3 我國球形石英粉發(fā)展思考及建議
從當前發(fā)展趨勢來(lái)看，國內球形硅微粉的發(fā)展勢頭良好。然而，每年幾萬(wàn)噸的市場(chǎng)需求及高額利潤讓相關(guān)企業(yè)看到了該技術(shù)的巨大發(fā)展潛力，各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家都想在技術(shù)上、成本上率先取得突破，為了提高競爭優(yōu)勢，都設置了技術(shù)壁壘，各自為陣，不愿意把已經(jīng)掌握的技術(shù)信息資源共享，沒(méi)能形成產(chǎn)學(xué)研一體化，不利于技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品升級。為適應超大規模集成電路對封裝材料的要求，結合我國目前生產(chǎn)技術(shù)水平及產(chǎn)品質(zhì)量，根據國際發(fā)展趨勢，我國應加大對球形石英粉的開(kāi)發(fā)力度，引導向高純度、超細化、高分散性、高均勻性以及高球形化方向發(fā)展。
（1）高純度
高純度是電子產(chǎn)品對材料最基本的要求，在超大規模集成電路中要求更加嚴格，除了常規雜質(zhì)元素含量要求低外，還要求放射性元素含量盡量低或沒(méi)有。目前，美國生產(chǎn)的用于超大規模集成電路封裝料的球形石英粉SiO2含量達99.98%以上，雜質(zhì)含量非常低，其中Fe?Al?Ca?Mg等金屬氧化物含量總和小于130×10-6，放射性元素含量在0.5×10-6以?xún)?；日本生產(chǎn)的球形硅微粉SiO2含量達99.9%，Fe2O3含量可達8×10-6，水淬取液中Na+?K+?Ca2+?Cl-等離子含量分別可達5×10-6以下，放射性U含量達0.1×10-9以下。而國內生產(chǎn)的球形石英粉SiO2含量一般只能達99.8%，且無(wú)放射性元素Ｕ指標，產(chǎn)品純度無(wú)法與進(jìn)口產(chǎn)品相提并論。
（2）超細化及高均勻性
國外用于超大規模集成電路封裝料的球形石英粉粒度細、分布范圍窄、均勻性好，美國一般為1—3μm，日本平均粒徑一般為3—8μm，最大粒徑小于24μm，而國產(chǎn)球形石英粉粒度較粗?分布范圍較寬?均勻性較差，平均粒徑一般為10—30μm；少量收塵產(chǎn)品平均粒徑可達到3—5μm，但從粒度分布上看，最大顆?？蛇_75μm以上，最小顆?？蛇_１μｍ以下。
（3）高球化率及高分散性
高球化率是保證填充料高流動(dòng)性、高分散性的前提，球化率高、球形度好才能保證產(chǎn)品的流動(dòng)性和分散性能好，在環(huán)氧塑封料中就能得到充分的分散并能保證最佳填充效果。國外產(chǎn)品球化率一般都能達到98%以上，而國產(chǎn)料球化率一般只能達到90%左右，少數可達到95%。
4 結語(yǔ)
球形石英粉是以天然石英石為原料，經(jīng)粉碎－高溫熔融處理，由角形結晶態(tài)變?yōu)榍蛐畏蔷B(tài)的一種粉體材料，主要應用于集成電路塑封材料領(lǐng)域，同時(shí)也可用于其他領(lǐng)域。球形石英粉的制備方法主要有等離子體融熔法、高溫熔融噴射法和氣體燃燒火焰法，其中氣體火焰燃燒法最容易控制，最容易產(chǎn)業(yè)化，目前國內量產(chǎn)一般采用此法。球形石英粉的發(fā)展趨勢是高純、超細、窄分布、高球化率、高分散性。目前國產(chǎn)球形石英粉無(wú)論是生產(chǎn)規模還是產(chǎn)品質(zhì)量，與國外相比，差距都較大，有待于技術(shù)升級和產(chǎn)品創(chuàng )新。
作者：胡修權，賀愛(ài)平，周毅，陳梁，孫猛（中南冶金地質(zhì)研究所，宜昌443003）
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