二氧化硅由于具有穩定的物化性質,良好的透光性及線膨脹性能,優良的耐高溫性能,是環氧模塑封料最理想的填充材料,其填充率達到70%以上,同時它也是半導體集成電路最理想的基板材料。
目前,國內已有上百家大中企業建立了后封裝生產線,用于環氧模塑封料填料的電子級硅微粉的需求量達到8000~10000t/a,其中高純熔融硅微粉約2000~3000t/a、結晶型高純硅微粉約5000~7000t/a。此外,用于集成電路基板材料的電子級硅微粉則有更大的需求量。我國生產電子級硅微粉的廠家并不多,產量約為4000~5000t/a,產量、質量均不能滿足國內市場的需求。特別是產品技術指標不穩定,更是影響了封裝廠對國產電子級硅微粉的采用。
一、我國電子級硅微粉生產工藝
國內廠家一般采用純度較高的結晶型石英砂(其中生產電子級熔融硅微粉時,需在熔融爐中進行熔融石英的煉制),破碎至適當粒度后,采用干法、濕法工藝研磨。干法采用超細振動磨加分級機的閉路系統,對物料進行超細碾磨,通過分級器、布袋除塵器分離和收集合格產品;濕法一般采用球磨工藝加沉降、水力旋流器等分級方法,分離出粒度合格的產品。產品細度均可達800~1250目。為保證純度,對粒度合格物料需先酸處理,除去暴露在顆粒表面的金屬物質;然后用高純水水洗,將已離子化的金屬物質與產品分離,所得活性硅微粉表面改性后,用壓濾機作脫水處理和用電加熱石英干燥器烘干。
二、某公司電子級硅微粉濕法生產工藝
我們的試驗表明,采用干法碾磨、氣流分級的工藝,較濕法碾磨具有生產成本低、產量高、工藝過程易控制等優點,其缺點是生產過程中粉塵的飄揚污染較嚴重,不利于環保。根據我公司的實際情況,我們確定選用干法碾磨、分級閉路循環工藝,同時為保證環境中的粉塵濃度達到國家標準,我們對振動磨機和分級裝置進行適當的封閉處理:對于振動磨的加料采用WZG型振動給料機加料,這樣既可保證加料的均勻性,又可防止粉塵的排出;磨機出料口則進行封閉處理(僅留通氣口);在布袋除塵器的引風機出口增加一個二次引風機,把粉塵引入一個自制的噴淋除塵系統中,使粉塵被細滴的水帶走。實踐表明,經過上述處理,車間的粉塵濃度可達到國家相關標準的要求。整個生產工藝流程,見圖1。
公司在實際生產中選用的石英砂原礦(江蘇東海產)的化學成份為(%):SiO2,99.43;Fe2O3,0.10;Al2O3,0.20;CaO,0.09;MgO,0.05;K2O+Na2O,0.1;TiO2,0.06;燒失量,0.20。粒度組成為(%):>1mm,0.8;0.15~1mm,18.3;0.25~0.5mm,35.9;0.125~0.25mm,29.2;<0.125mm,15.8。
2.1 振動碾磨和旋風分級
采用某機械設計研究院開發的振動磨機。該磨機采用特殊長徑比結構,二臺電機帶動,內襯超耐磨橡膠,生產能力比同等容積的其它振動磨高,而動力成本相當。其主要參數:筒體容積1.5m3,入磨粒度≤1mm,磨機振幅3~7mm,電機功率45kW,剛玉球介質,介質填充率80%,介質裝填量3.0t,產量0.85t/h(600目)。旋風分級系統由分級機、布袋收塵器、風機組成,其中的關鍵部分是分級機,選用沈陽飛機研究所粉體公司的FJJ-Ⅱ型分級機,其余自制。該分級機主要由分級部、擴散腔、窩殼和下機體等幾部分組成;分級部主要由分級輪、配流盤和殼體組成,物料的分級在此完成。被分散物料在分級輪和引風機產生的風力的共同作用下,將其中的細顆粒分離出來。磨介規格及配比見表1,磨礦及分級效果見表2。
2.2 磁選設備及工藝
粒度合格的產品不經磁選工序時,仍可生產出合格的電子級硅微粉,但在生產實踐中發現:不同批次間的產品質量指標波動較大,不利于產品質量的穩定。因此,采用德國克虜伯公司的SOL-SCHEIDER 1200φ圓盤型濕式強磁選機先對物料進行磁選。該機去除磁性物質的性能較好,可減少磁性物特別是機械鐵的帶入而影響后續工序的操作。該機的參數為:電壓,220V;電磁功率,24kW;傳動功率,2.2kW(無級變速);圓盤直徑,1200mm。磁選的工藝條件為:磁通密度,1.6T;圓盤轉速,10r/min;礦漿濃度,25%;處理速度,1.5m3/h。磁選的處理效果,見表3。
2.3 酸洗和純水洗滌
在特制的耐酸容器中酸洗,酸洗工藝條件:礦漿濃度20%,鹽酸濃度5%,攪拌速度350r/min,室溫處理24h。然后用LW型離心機進行多級分離洗滌,直至礦漿pH值>4.5,再將其送入FHXB-Ⅲ型高效全自動壓濾機壓濾(工藝條件:工作壓力0.6MPa,總壓濾面積100m2),用高純水多次洗滌,直至洗水中Cl-濃度<100ppm為止?;祀s在洗脫水中的超細二氧化硅,由陶瓷過濾機回收,凈化后的水部分可循環使用。
回收的超細二氧化硅的理化指標:水份,0.08%;SiO2,99.4%;Fe2O3,0.08%;燒失,0.14%;產品中位徑(D50/μm),1.55。
2.4 干燥和打散
在自制的電加熱石英干燥器中進行,干燥溫度120~130℃,干燥時間2h,最終產品的含水率小于0.1%,然后再經WXM2110型打散機解聚還原,最后包裝成產品。
2.5 廢液處理和回收
酸洗過程產生的廢酸液,送入碳酸鈣生產線的廢水處理池,使鹽酸與碳酸鈣中和,最終使廢水的pH值大于6,可直接排放。水洗的廢水,可單獨儲存用于下次的酸洗,但要經常檢測水中雜質含量(如Fe3+,Cl-等)。當雜質含量過高時,則應排放。根據我們處理物料的經驗,水洗的廢水以循環利用2~3次為宜。
3、產品質量指標
目前,國內電子級硅微粉的主要產品質量標準,為電子工業部于1995年8月18日發布的SJ/T10675-1995《電子及電器工業用硅微粉》。近一年的生產實踐表明,本產品的理化指標均達到或超過該標準的要求,且不同批次間的產品的技術指標穩定性好,完全可滿足電子工業用環氧塑封材料的要求。詳細檢測結果,見表4。
4、討論
1.生產電子級硅微粉的關鍵是除去石英中的導電雜質,因此除選用較純的原料以外,在生產的每一個環節均應盡量減少容器、環境、化學藥劑等對產品的污染,嚴格操作。
2.采用濕式強磁選機除去部分磁性物質,然后再進行酸洗的工藝流程,雖然增加了一定的生產成本,但可以提高酸洗的效率,并使不同批次間的產品質量指標更加穩定。
3.采用陶瓷過濾機可回收壓濾水洗流失的超細二氧化硅,其產率可達3%,該部分產品粒度細,純度較好,可作為硅橡膠、涂料、環氧地坪等的填料。
作者:季理沅 王國水(浙江科地礦產開發有限公司,湖州313005)
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