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領域也有應用。
1、石英粉為什么要球形化?
(1)球的表面積最小,各向同性好,與樹脂攪拌成膜均勻,樹脂添加量小,并且流動性最好,粉的填充量可達到最高,質量比可達90.5%,因此,球形化意味著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,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,成品率高,并且運輸、安裝、使用過程中不易產生機械損傷。
(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。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格很高,有的還需要進口,這一點對封裝廠降低成本,提高經濟效益也十分重要。
(4)硅微粉本身就有增強環氧樹脂的作用,而球形粉可以增強這個功用。
2、球形石英粉制備技術
球形石英粉制備方法主要有火焰熔融法、等離子加熱爐法、化學合成法、水解法等。
(1)火焰熔融法
目前,國內各生產廠家主要利用火焰熔融的方法來實現石英粉球形化的量產。該技術的關鍵是加熱裝置要求有穩定的溫度場、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。
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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;
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燃氣量控制和混合裝置:可根據火焰溫度、火焰長度和剛度調節、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;
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氣體燃料高溫火焰噴槍:是將混合燃料氣體(混合入助燃氣體)和非球形石英粉物料同時噴出,點火后產生高溫火焰,熔融分散的石英粉使之成為球形石英粉。
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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,當粉體進入高溫火焰區時其角形表面吸收熱量而呈熔融狀態,熱量進一步被傳遞到粉體內部,粉體顆粒完全呈熔融狀態。在表面張力的作用下,物體總是要趨于穩定狀態,而球形則是最穩定狀態,從而達到產品成球目的。
粉體顆粒能否被熔融取決于兩方面:
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間;β為材料的相關系數,如比熱、導熱系數、密度等;ω為火焰的相關系數;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間和粉體顆粒在火焰中的速度,得到所需火焰的長度尺寸,通過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、產量高,可達到較高球化率,因而是一種較合適的生產方法。其原理與工藝與火焰熔融法類似,主要是將高溫熱源變為等離子體發生器。
△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。高頻等離子體發生器輸入功率為100kW,產生4000℃-7000℃的高溫氣體作為熱源,將二氧化硅粉體通過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,經特制的驟冷器進行淬冷,再經重力收集,旋風收集(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:等離子體發生器、粉體輸送器、等離子反應爐、冷卻回收裝置、旋風收集器、布袋收集器。
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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,流態化后,連續穩定的輸送到等離子弧區內。
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等離子體發生器:主要是通過電場能量進入放電媒介質的電磁藕合產生等離子體,當射頻交流電通過相匹配的線圈時,在附近產生的振蕩磁場將藕合于部分電離的氣體負載(負載在放電腔內流動)并提供歐姆加熱來維持等離子體。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間長。
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冷卻回收裝置:煅燒后的物料溫度在1000℃以上,在物料進入收塵器之前,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。
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收集裝置:旋風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,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收集下來,就可以得到成品。
(3)化學合成法
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,然后進行精制和熱處理,得到滿足需要的球形二氧化硅微粉。特點是鈾含量低,缺點是產品易團聚。
主要設備有:反應釜、自動投料設備、純水設備、過濾洗滌設備、干燥設備、工業電窯、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,并同時用石英棒高速攪拌水解產物,將得到的水解產物經陳化、洗滌、過濾后,在100℃-200℃的恒溫箱中進行干燥脫水至恒重后,轉移至高溫燒結爐中,在不同溫度下進行高溫燒結脫羥和晶形轉換,經粉磨、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情況
我國盛產石英,礦源分布廣,且許多礦產質量很高,資源豐富的區域如江蘇連云港和徐州、浙江湖州、安徽鳳陽等地,因此也形成了以這些區域為主的全國范圍內的大小石英粉廠幾百家,基本上都屬于民營企業為主。
但國內大部分企業生產規模不大、品種不多,在工藝過程中缺乏系統的控制手段,致使石英粉產品的純度、粒度以及產品質量穩定性與國外產品比較還存在一定的差距。
在這些企業中真正能夠生產球形石英粉的不多,其主打產品集中在1000目以下,多數以角形石英粉產品為主,技術含量和利潤不高,主要應用領域多為冶金、陶瓷、橡膠用填料、耐火材料、建材、化妝品等。
目前國內也逐步出現一些能夠生產高純、超微、球形石英粉的生產企業,占領中高端市場,并有部分的出口。
近幾年來,我國新建的石英粉項目較多,產能擴張很快,行業的供給能力大幅度提高。我國石英粉技術有所進步,廠商生產高端產品的能力不斷加強,生產技術有明顯的進步。特別是以聯瑞新材、華飛電子、東海硅微粉有限公司、蚌埠中凱電子材料有限公司為代表的一批國內企業在球形石英粉技術上取得突破,制備出符合電子封裝材料要求的產品,打破了美、日等少數國家對該技術的壟斷局面。
來源:《球形石英粉》國家標準編制說明
高純超細電子級球形石英粉研究,作者:張軍、宋守志、蓋國勝
高頻等離子法制備球形硅微粉的工藝研究,作者:王翔、黎明、高躍生
編輯整理:粉體技術網
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