中國粉體網(wǎng)訊 日本、美國及德國等發(fā)達(dá)國家對粉體顆粒球形化技術(shù)的重視程度和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度非常大。除了對球形化技術(shù)及關(guān)鍵裝置申請專利保護(hù)外，國外對生產(chǎn)廠核心部位的保密意識也非常強(qiáng)，幾乎全部采用封閉式管理，不允許任何第三方進(jìn)行參觀考察，比如日本對我國出口的高技術(shù)球形硅微粉參數(shù)一向采取保密措施，德國甚至將高技術(shù)石英粉視作戰(zhàn)略物資而限制出口。在“2018第二屆石英精細(xì)加工及應(yīng)用技術(shù)交流會”（11月21-22日，江蘇東海）即將召開之際，我們繼續(xù)來了解一下這種高端工業(yè)粉體材料——球形硅微粉。
球形硅微粉的SEM照片
隨著科技的日益進(jìn)步，微電子元件性能不斷提高，對封裝技術(shù)及封裝材料的要求越來越高，球形硅微粉由于具有其他類型石英粉無法比擬的優(yōu)越特性，正被逐步應(yīng)用于大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)中，在電子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
球形硅微粉是由天然石英石經(jīng)提純超細(xì)粉碎后，通過一定的高溫場，使其相態(tài)、晶型及形狀瞬間發(fā)生變化，由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)再變?yōu)楣虘B(tài)，由晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)，由不規(guī)則角形顆粒變?yōu)橐?guī)則的球形顆粒而得到的一種粉末。其制備方法目前大致有以下幾種。
1、高溫等離子體熔融法
高溫等離子體熔融法是利用交流或直流電弧等離子體產(chǎn)生的高溫氣體作熱源，將石英粉體噴射到等離子焰中，粉體受熱熔化并瞬間氣化，再經(jīng)驟冷，經(jīng)旋風(fēng)和布袋收集，便得到球狀硅微粉。
其特點(diǎn)是加熱溫度高，可以獲得比化學(xué)燃燒高５倍以上的溫度（３000Ｋ以上）場，高溫高熱和高活性氣氛使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行非常迅速；當(dāng)反應(yīng)物料離開等離子體時(shí)，經(jīng)急驟冷卻，粒子不再長大；可根據(jù)不同需要形成不同氣氛的等離子態(tài)，反應(yīng)物選擇范圍寬。但等離子體技術(shù)難度很大，使得產(chǎn)品球化率不易控制、很難形成規(guī)模生產(chǎn)。
2、高溫熔融噴射法
高溫熔融噴射法是把物料置于高溫場中將其熔化使之成為熔融體，在熔融體流出的瞬間，以通過噴射器的高壓空氣進(jìn)行噴吹，熔融物被高速氣流分散打碎成霧狀小液滴，再被迅速冷卻，小液滴遇冷便快速自然收縮成表面光滑的球狀顆粒。
高溫熔融噴射法是最易保證球形化和無定形率的方法。但是，爐體高溫材料、粘稠的石英熔融體霧化以及防止二次污染等一系列關(guān)鍵技術(shù)沒有突破，用于制造高純球形石英粉難度很大。
3、氣體燃燒火焰法
氣體燃燒火焰法是以乙炔氣、氫氣、天然氣等燃料氣為原料，以氧氣或空氣為助燃?xì)猓ㄟ^密閉爐窯燃燒產(chǎn)生潔凈火焰。與此同時(shí)，角形石英粉隨氣流被輸送到火焰中。當(dāng)角形粉末經(jīng)過高溫火焰場時(shí)，首先被熔化為無定形顆粒，當(dāng)它離開高溫場被迅速冷卻時(shí)即刻收縮變?yōu)榍蛐晤w粒，再經(jīng)過旋風(fēng)收集便得到成品。
此法與等離子體高溫火焰相比，首先溫度場相對較低，其次是影響因素較少，設(shè)備制造更為簡化，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，發(fā)展前景較好。
4、化學(xué)合成法
化學(xué)合成法和其它的制備方法有明顯的差別，主要是采用溶膠—凝膠技術(shù)，在分散劑和球形催化劑存在的條件下制備出球形石英粉。用化學(xué)法生產(chǎn)的球形石英粉，其球形度、球化率、無定形率都可達(dá)到100％，并且可以達(dá)到很低的放射性指標(biāo)，但其容積密度較低，比表面積大。吸油率高，當(dāng)完全用此種球形粉制成環(huán)氧樹脂模塑料時(shí)，模塑料的密實(shí)性能、強(qiáng)度降低．線性膨脹率變大，影響模塑料的封裝性能，故實(shí)際使用中這種球形石英粉最大添加量有限。
5、燃爆法
燃爆法生產(chǎn)球形硅微粉是日本開發(fā)出來的技術(shù)，主要用來生產(chǎn)超細(xì)球形石英粉。燃爆法是一種利用金屬粉末的燃爆過程生產(chǎn)球形的氧化物微粒的方法。把單晶或多晶硅粉末噴灑在氧氣流中點(diǎn)火，生成的二氧化硅在高溫下會變成蒸氣或液體，冷卻后會形成球形的二氧化硅微粒，燃燒產(chǎn)生的反應(yīng)熱用來點(diǎn)燃持續(xù)加入的硅粉。
燃爆法具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以簡化工藝，節(jié)約能源，而且不會產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。這種方法的關(guān)鍵是反應(yīng)過程的控制，如果反應(yīng)太劇烈會發(fā)生爆炸。此外，由于超細(xì)粉體比表面積大極易團(tuán)聚，因此產(chǎn)品如何分散也是一個難題。
6、氣相法
氣相法SiO2（俗稱氣相法白炭黑）是由硅的鹵化物在高溫下水解制得的一種精細(xì)、特殊的無定形粉體材料。
氣相法SiO2產(chǎn)品純度高、平均原生粒徑為7～40 nm、比表面積50～380 m2／g、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.8％，但在有機(jī)物中難以分散。
7、沉淀法
沉淀法以水玻璃和酸化劑為原料，適時(shí)加入表面活性劑，控制反應(yīng)溫度，在沉淀溶液pH值為8時(shí)加穩(wěn)定劑，所得沉淀經(jīng)洗滌、干燥，煅燒后形成硅微粉。
沉淀法生成的SiO2粒徑均勻且成本低，工藝易控制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，但存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。
8、微乳液法
微乳液法是利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成均勻的乳液，使成核、生產(chǎn)、聚結(jié)、團(tuán)聚等過程局限在一個微小的球形液滴內(nèi)，從乳液中析出固相，形成球形顆粒，避免了顆粒間進(jìn)一步團(tuán)聚。利用微乳液法制備SiO2大多以正硅酸乙酯為硅源，通過正硅酸乙酯分子擴(kuò)散透過反膠束界面膜向水核內(nèi)滲透，繼而發(fā)生水解縮合反應(yīng)，制得SiO2。此法制備的產(chǎn)品具有粒度分布窄、粒徑可控、分散性好等優(yōu)點(diǎn)。
9、水熱合成法
水熱合成法是液相制備納米粒子的一種常用方法，一般在100～350℃溫度和高壓環(huán)境下，使無機(jī)和有機(jī)化合物與水化合，通過對加速滲析反應(yīng)和物理過程的控制，得到改進(jìn)的無機(jī)物，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥，得到高純、超細(xì)的微粒子。
水熱法的優(yōu)點(diǎn)是可直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需經(jīng)過鍛燒轉(zhuǎn)化成氧化物這一步驟，從而降低了硬團(tuán)聚的形成幾率。此法與溶膠—凝膠方法相比，不僅能提高反應(yīng)速率，消除局部濃度不均，而且對團(tuán)聚粉體顆粒有破壞作用。
10、噴霧法
噴霧法是將溶液通過各種物理手段進(jìn)行霧化獲得超微粒子的一種化學(xué)與物理相結(jié)合的方法。它的基本過程是溶液的制備、噴霧、干燥、收集和熱處理。此方法特點(diǎn)是顆粒分布比較均勻，但顆粒尺寸為亞微米到10μm，是一種合成粒徑可控納米粒子氧化物的新方法。
11、自蔓延低溫燃燒法
其工藝流程包括硅酸鈉的制備、硅酸溶膠的制備、混合燃燒液的制備、燃燒反應(yīng)、退火除碳、洗滌處理等步驟。雖然該技術(shù)具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)如：原料廣泛、工藝簡單、有利于制備高純硅微粉等，但目前該方法還只是停留在實(shí)驗(yàn)階段，還不能很好的大規(guī)模生產(chǎn)。
12、高溫煅燒球形化
其工藝流程如下：天然粉石英礦粉粗選，將粗選后的優(yōu)質(zhì)天然粉石英礦粉通過洗滌后，加入陳化劑，使其粉石英礦粉在堿性條件下進(jìn)行陳化，陳化后過濾，將濾物脫水烘干后，分散制成粉狀或加入粘結(jié)劑制成塊狀，再將粉狀或塊狀石英礦粉在1280-1680℃高溫爐中保溫1-10小時(shí)進(jìn)行燒制，冷卻后再進(jìn)行分散磨粉球化、磁選和風(fēng)選分級，得到高純超細(xì)球形硅微粉。該技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)階段。
參考文獻(xiàn)：
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