高純硅微粉球形化是一項跨學(xué)科的高難度工程，其技術(shù)關(guān)鍵是穩定連續的送粉系統、加熱裝置要求有穩定的溫度場(chǎng)、易于調節的溫度范圍、不對硅微粉造成二次污染的清潔熱源環(huán)境、粘稠的石英熔融霧滴的高效率冷卻與回收。目前，世界上只有日本、美國、中國、加拿大、德國和俄羅斯等少數國家掌握此技術(shù)。
 
1.國外硅微粉高溫球形化研究現狀
 
　　上世紀80年代，國外的一些研究機構如美國的加州大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室、加拿大的舍布魯克大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本清源研究院等已經(jīng)開(kāi)始球形硅微粉的研究，一些著(zhù)名公司如美國的Basf公司、美國通用公司、德國的德固賽公司、比利時(shí)的矽比科（Sibelco）、加拿大的Tekna公司、日本的Admatechs公司、日本電氣化學(xué)工業(yè)公司、Nippon Aeosil公司、川崎鋼鐵、日本龍森（Tatsumori）、東芝熔融、信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì )社已經(jīng)有相關(guān)專(zhuān)利申報并投入生產(chǎn)。
　　目前，國際上研究、生產(chǎn)球形硅微粉的國家主要是美國和日本，生產(chǎn)技術(shù)包括二氧化硅高溫熔融噴射法、高頻感應等離子法、直流等離子法、氣體火焰法和控制正硅酸乙酷、四氯化硅的水解法等。
 
（1）日本
 
　　早在上世紀八十年代，日本就開(kāi)始著(zhù)手開(kāi)發(fā)球形硅微粉制備工藝，并申請了大量的火焰法制備球形硅微粉的專(zhuān)利。九十年代初進(jìn)行試生產(chǎn)并開(kāi)始應用于大規模集成電路的塑封料；到1999年底日本已有年產(chǎn)球形石英微粉近萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力，除本國使用外，還大量出口。以日本電氣化學(xué)株式會(huì )社、日本龍森為主的一批企業(yè)已大批量生產(chǎn)球形硅微粉并運用到航天、超大屏幕電子顯像和大規模集成電路中。
 

▼日本龍森球形硅微粉部分參數

注：由于該技術(shù)涉及高性能計算機技術(shù)的開(kāi)發(fā)，國外對球形化技術(shù)高度保密，其提供的參數指標也不完整。

　　火焰法采用天然氣、乙炔氣、氫氣等工業(yè)燃料氣體為熱源，主要涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、顆粒流體力學(xué)等方面的理論，與等離子體方法相比，不再涉及電磁學(xué)理論及粒子在電磁場(chǎng)中的運動(dòng)問(wèn)題，使得研究和生產(chǎn)控制更趨簡(jiǎn)化。因此，火焰法生產(chǎn)球形硅微粉更易實(shí)現大規模工業(yè)化生產(chǎn)，更具發(fā)展前途。
 
（2）美國
 
　　據調研，美國產(chǎn)的球形硅微粉主要是采用高溫熔融噴射球形化法生產(chǎn)的。該工藝是將高純度石英在2100-2500℃下熔融為石英液體，經(jīng)過(guò)噴霧、冷卻后得到球形硅微粉，該法制備的球形硅微粉球形度好、表面光滑、球形化率和非晶形率均可達到100%。
　　高溫熔融噴射球形化法中的難點(diǎn)主要包括耐熔融石英液體的高溫材料、粘稠的石英熔融液體的霧化系統以及霧化系統對樣品的污染問(wèn)題。
 

▼美國斯坦福研究院粉體中心球形硅微粉指標

注：此表為電子封裝材料用硅微粉的技術(shù)要求，其中，A用于大規模集成電路，B用于超大規模集成電路。

（3）加拿大
 
　　加拿大TEKNA等離子系統公司的感應等離子微粉顆粒球形化系統處于世界領(lǐng)先地位，并申請了全球專(zhuān)利，此技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：
 
第一，高頻感應等離子炬沒(méi)有電極，不用考慮對樣品的污染問(wèn)題；
 
第二，由于這種空心圓筒構造，預處理的微粉材料或液相原料乃至氣相原料，可以從軸向引入，這點(diǎn)對于充分促進(jìn)高溫等離子體和材料之間的熱傳導是非常有利的；
 
第三，感應熱等離子體的體積比較大，溫度梯度比直流電弧等離子體小，即均勻性好；
 
第四，感應炬管不但可以達到5000-10000K的高溫，而且高頻感應等離子的焰流速度更低從而大大延長(cháng)微粉在高溫區停留的時(shí)間，保證了微粉在高溫區充分熔化甚至氣化，足以制得球形化率高的微粉。世界上很多的科研院所都在利用等離子法進(jìn)行球形粉末研究。
 
2.國內硅微粉高溫球形化研究現狀
 
　　由于硅微粉球形化技術(shù)涉及高性能芯片技術(shù)的開(kāi)發(fā)，國外對此高度保密，使得我國硅微粉球形化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。近年來(lái)，以華飛電子、聯(lián)瑞新材為代表的少數國內企業(yè)突破國外技術(shù)封鎖，逐漸掌握高純、小粒度球形硅微粉的生產(chǎn)技術(shù)。
 
（1）火焰法
 
　　目前，國內硅微粉球形化技術(shù)主要包括射頻等離子球形化法、直流電弧等離子球形化法、碳極電弧加熱球形化法以及化學(xué)合成法等。其中工業(yè)生產(chǎn)方面主要是利用火焰成球法來(lái)生產(chǎn)球形硅微粉。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硅微粉造成二次污染。
 

▼國內某公司火焰成球法生產(chǎn)球形硅微粉工藝

 
（2）等離子體法

　　中國科學(xué)院過(guò)程所袁方利等開(kāi)發(fā)了射頻等離子體法制備球形硅微粉技術(shù)。首先建立穩定的氮-空氣等離子弧，然后利用N2為載氣將原料粉體經(jīng)加料槍引入等離子電弧中，粉體顆粒在弧中吸收大量的熱而迅速融化，并以極高的飛行速度進(jìn)入反應器，冷卻凝固后收集。
　　在該工藝中，通過(guò)調節N2的流量來(lái)控制原料的進(jìn)料速度，石英粉體球形化后，顆粒球形度很高，表面光滑。
 

▼高溫法制備球形硅微粉工藝流程

　　高頻感應等離子法采用的是軸向內送粉，大大延長(cháng)了樣品在等離子焰流中的停留時(shí)間；另外，高頻感應設備不存在電極揮發(fā)對樣品的污染問(wèn)題；還有感應設備的反應腔內溫度高達30000K，更容易實(shí)現微粉球形化。但是，高頻等離子能耗高、溫度場(chǎng)小而集中、溫度范圍難以控制，很難形成規模生產(chǎn)能力。
　　盡管近年來(lái)中國球形硅微粉生產(chǎn)技術(shù)取得明顯進(jìn)步，但純度、粒度以及產(chǎn)品質(zhì)量穩定性與國外產(chǎn)品比較還存在一定的差距，每年還需從國外進(jìn)口大部分的球形硅微粉產(chǎn)品。
 

石英及硅材料精細加工技術(shù)高級研修班
2019年3月23-25日 | 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）
 
掃碼報名

 
培訓咨詢(xún)

 
主要培訓內容：

石英礦工藝礦物學(xué)
硅質(zhì)玉石的識別和鑒賞
石英礦物種類(lèi)識別
石英產(chǎn)品及其應用指標
石英常規選礦技術(shù)與設備
高純石英精細提純與加工技術(shù)
石英粉表面改性技術(shù)與應用
石英砂生產(chǎn)線(xiàn)設計
高純石英礦物粉體材料的制備技術(shù)與應用
其他培訓內容

編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)
 

更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）