球形石英粉主要用于大規模集成電路封裝中覆銅板以及環(huán)氧塑封料填料，在航空航天、精細化工和日用化妝品等高新技術(shù)領(lǐng)域也有應用。

1、石英粉為什么要球形化？

（1）球的表面積最小，各向同性好，與樹(shù)脂攪拌成膜均勻，樹(shù)脂添加量小，并且流動(dòng)性最好，粉的填充量可達到最高，質(zhì)量比可達90.5%，因此，球形化意味著(zhù)硅微粉填充率的增加。

       硅微粉的填充率越高，塑封料的熱膨脹系數就越小，導熱系數也越低，就越接近單晶硅的熱膨脹系數，由此生產(chǎn)的電子元器件的使用性能也越好。

（2）球形粉制成的塑封料應力集中最小，強度最高，當角形粉的塑封料應力集中為1時(shí)，球形粉的應力僅為0.6，因此，球形粉塑封料封裝集成電路芯片時(shí)，成品率高，并且運輸、安裝、使用過(guò)程中不易產(chǎn)生機械損傷。

（3）球形粉摩擦系數小，對模具的磨損小，使模具的使用壽命長(cháng)。與角形粉相比，可以提高模具的使用壽命達一倍，塑封料的封裝模具價(jià)格很高，有的還需要進(jìn)口，這一點(diǎn)對封裝廠(chǎng)降低成本，提高經(jīng)濟效益也十分重要。

（4）硅微粉本身就有增強環(huán)氧樹(shù)脂的作用，而球形粉可以增強這個(gè)功用。
2、球形石英粉制備技術(shù)

       球形石英粉制備方法主要有火焰熔融法、等離子加熱爐法、化學(xué)合成法、水解法等。

（1）火焰熔融法

       目前，國內各生產(chǎn)廠(chǎng)家主要利用火焰熔融的方法來(lái)實(shí)現石英粉球形化的量產(chǎn)。該技術(shù)的關(guān)鍵是加熱裝置要求有穩定的溫度場(chǎng)、易于調節溫度范圍以及不要對石英粉造成二次污染。

       主要生產(chǎn)設備包括：粉料定量輸送系統、燃氣量控制和混合裝置、氣體燃料高溫火焰噴槍、冷卻回收裝置等。

• 粉料定量輸送系統：將待加工成球形石英粉的粉料按照規定的給料量連續、均勻地輸送到高溫火焰中；

• 燃氣量控制和混合裝置：可根據火焰溫度、火焰長(cháng)度和剛度調節、控制燃氣量和助燃氣體量，并將燃氣與助燃氣體充分混合后送到高溫火焰噴槍?zhuān)?/span>

• 氣體燃料高溫火焰噴槍?zhuān)菏菍⒒旌先剂蠚怏w（混合入助燃氣體）和非球形石英粉物料同時(shí)噴出，點(diǎn)火后產(chǎn)生高溫火焰，熔融分散的石英粉使之成為球形石英粉。

• 冷卻回收裝置：將已被熔融且分散的高溫球形石英粉迅速冷卻，避免出現析晶現象，并將冷卻后的球形石英粉在收集器中回收。

       其成球原理為：高溫火焰噴槍噴出1600-2000℃的高溫火焰，當粉體進(jìn)入高溫火焰區時(shí)其角形表面吸收熱量而呈熔融狀態(tài)，熱量進(jìn)一步被傳遞到粉體內部，粉體顆粒完全呈熔融狀態(tài)。在表面張力的作用下，物體總是要趨于穩定狀態(tài)，而球形則是最穩定狀態(tài)，從而達到產(chǎn)品成球目的。

       粉體顆粒能否被熔融取決于兩方面：

• 一是火焰溫度要高于粉體材料的熔融溫度，這就要選擇合適的氣體燃料；

• 二是保證粉體顆粒熔融所需要的熱量。在火焰溫度一定的情況下，不同粒徑的粉體顆粒達到熔融所需要的熱量是不同的，而吸收熱量的多少與粉體顆粒在火焰中的時(shí)間成正比，因此可得到粉體顆粒在火焰中達到熔融所需要的時(shí)間與其粒徑的關(guān)系。

t=β?ω?d

       式中t為粉體顆粒在火焰中達到熔融所需要的時(shí)間；β為材料的相關(guān)系數，如比熱、導熱系數、密度等；ω為火焰的相關(guān)系數；d為粉體顆粒粒徑。

       根據粉體顆粒在火焰中達到熔融所需要的時(shí)間和粉體顆粒在火焰中的速度，得到所需火焰的長(cháng)度尺寸，通過(guò)調節燃氣量控制裝置達到要求。

（2）等離子加熱爐法

       熱等離子體也叫局部熱力學(xué)平衡等離子體，其主要特征是等離子體中局部的電子溫度（Te）、離子溫度（Ti）以及氣體溫度（Tg）幾乎一致。電弧等離子體、高頻等離子體以及感應等離子體都屬于熱等離子體。

       采用高頻等離子體熔融法制備球形石英粉，溫度范圍適中、控制平穩、產(chǎn)量高，可達到較高球化率，因而是一種較合適的生產(chǎn)方法。其原理與工藝與火焰熔融法類(lèi)似，主要是將高溫熱源變?yōu)榈入x子體發(fā)生器。

△高頻等離子體熔融法制備球形石英粉

       工作氣為壓縮空氣，工作氣量為10m3/h。高頻等離子體發(fā)生器輸入功率為100kW，產(chǎn)生4000℃-7000℃的高溫氣體作為熱源，將二氧化硅粉體通過(guò)給料器從頂部輸送到等離子反應爐弧區內，粉體受熱熔化和氣化，經(jīng)特制的驟冷器進(jìn)行淬冷，再經(jīng)重力收集，旋風(fēng)收集（微米級）和布袋集塵（納米級），在1s-2s內，就可得到球狀微米級和納米級SiO2粉體。

△球形熔融硅微粉SEM圖

       主要設備有：等離子體發(fā)生器、粉體輸送器、等離子反應爐、冷卻回收裝置、旋風(fēng)收集器、布袋收集器。

• 粉料輸送器：用氣體輸送的方法將要加工成球形的硅微粉原料混合，流態(tài)化后，連續穩定的輸送到等離子弧區內。

• 等離子體發(fā)生器：主要是通過(guò)電場(chǎng)能量進(jìn)入放電媒介質(zhì)的電磁藕合產(chǎn)生等離子體，當射頻交流電通過(guò)相匹配的線(xiàn)圈時(shí)，在附近產(chǎn)生的振蕩磁場(chǎng)將藕合于部分電離的氣體負載（負載在放電腔內流動(dòng)）并提供歐姆加熱來(lái)維持等離子體。感應等離子體特別適合于粉體球化加工，因為體積大，軸向粉體喂料在放電區內滯留時(shí)間長(cháng)。

• 冷卻回收裝置：煅燒后的物料溫度在1000℃以上，在物料進(jìn)入收塵器之前，必須使其溫度下降到200℃以下。為了保證降溫可靠，系統采用水冷加風(fēng)冷的降溫方式。將已被熔融且分散的高溫球形硅微粉，迅速冷卻避免出現晶析現象。

• 收集裝置：旋風(fēng)收集器主要收集熔化后的球形硅微粉，布袋收集主要收集氣化后的納米硅微粉。到反應室下段時(shí)，高溫汽化物很快被大量空氣從2000℃急劇冷卻凝結至120℃以下，形成球形二氧化硅粉體，在等離子氣體和激冷氣體的輸送下，球形粉在布袋和旋風(fēng)收集下來(lái)，就可以得到成品。

（3）化學(xué)合成法

       在一定溫度下，用氨水或碳銨處理硅溶膠乳液，得到球形凝膠，再用酸處理凝膠，得到水合球形二氧化硅，然后進(jìn)行精制和熱處理，得到滿(mǎn)足需要的球形二氧化硅微粉。特點(diǎn)是鈾含量低，缺點(diǎn)是產(chǎn)品易團聚。

       主要設備有：反應釜、自動(dòng)投料設備、純水設備、過(guò)濾洗滌設備、干燥設備、工業(yè)電窯、分級包裝設備、其它輔助設備等。精制純化后的石英粉中常見(jiàn)金屬離子含量少于5×10-6，放射性鈾元素含量小于5×10-9。

（4）水解法

       把液體SiCl4以恒定的速度加入到添加了不同分散劑的去離子水中，并同時(shí)用石英棒高速攪拌水解產(chǎn)物，將得到的水解產(chǎn)物經(jīng)陳化、洗滌、過(guò)濾后，在100℃-200℃的恒溫箱中進(jìn)行干燥脫水至恒重后，轉移至高溫燒結爐中，在不同溫度下進(jìn)行高溫燒結脫羥和晶形轉換，經(jīng)粉磨、篩分后即得到所需粒徑的高純球形石英粉。

3、國內球形石英粉的主要生產(chǎn)情況

編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)