一文了解國(guó)內(nèi)外硅微粉高溫球形化研究現(xiàn)狀

高純硅微粉球形化是一項(xiàng)跨學(xué)科的高難度工程，其技術(shù)關(guān)鍵是穩(wěn)定連續(xù)的送粉系統(tǒng)、加熱裝置要求有穩(wěn)定的溫度場(chǎng)、易于調(diào)節(jié)的溫度范圍、不對(duì)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(guó)、中國(guó)、加拿大、德國(guó)和俄羅斯等少數(shù)國(guó)家掌握此技術(shù)。

1.

國(guó)外硅微粉高溫球形化研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代，國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)如美國(guó)的加州大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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)開始球形硅微粉的研究，一些公司如美國(guó)的Basf公司、美國(guó)通用公司、德國(guó)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)專利申報(bào)并投入生產(chǎn)。

目前，國(guó)際上研究、生產(chǎn)球形硅微粉的國(guó)家主要是美國(guó)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(yīng)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(jì)八十年代，日本就開始著手開發(fā)球形硅微粉制備工藝，并申請(qǐng)了大量的火焰法制備球形硅微粉的專利。九十年代初進(jìn)行試生產(chǎn)并開始應(yīng)用于大規(guī)模集成電路的塑封料；到1999年底日本已有年產(chǎn)球形石英微粉近萬噸的生產(chǎn)能力，除本國(guó)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(yùn)用到航天、超大屏幕電子顯像和大規(guī)模集成電路中。

▼日本龍森球形硅微粉部分參數(shù)注：由于該技術(shù)涉及高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的開發(fā)，國(guó)外對(duì)球形化技術(shù)高度保密，其提供的參數(shù)指標(biāo)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(yùn)動(dòng)問題，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(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，更具發(fā)展前途。

（2）美國(guó)

據(jù)調(diào)研，美國(guó)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(dá)到。

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(tǒng)以及霧化系統(tǒng)對(duì)樣品的污染問題。

▼美國(guó)斯坦福研究院粉體中心球形硅微粉指標(biāo)

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(guī)模集成電路，B用于超大規(guī)模集成電路。

（3）加拿大

加拿大TEKNA等離子系統(tǒng)公司的感應(yīng)等離子微粉顆粒球形化系統(tǒng)處于地位，并申請(qǐng)了全球?qū)＠?，此技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

，高頻感應(yīng)等離子炬沒有電極，不用考慮對(duì)樣品的污染問題；

第二，由于這種空心圓筒構(gòu)造，預(yù)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(duì)于充分促進(jìn)高溫等離子體和材料之間的熱傳導(dǎo)是非常有利的；

第三，感應(yīng)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(yīng)炬管不但可以達(dá)到5000-10000K的高溫，而且高頻感應(yīng)等離子的焰流速度更低從而延長(zhǎng)微粉在高溫區(qū)停留的時(shí)間，保證了微粉在高溫區(qū)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(guó)內(nèi)硅微粉高溫球形化研究現(xiàn)狀

由于硅微粉球形化技術(shù)涉及高性能芯片技術(shù)的開發(fā)，國(guó)外對(duì)此高度保密，使得我國(guó)硅微粉球形化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。近年來，以華飛電子、聯(lián)瑞新材為的少數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)突破國(guó)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(guó)內(nèi)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(wěn)定的溫度場(chǎng)、易于調(diào)節(jié)溫度范圍以及不要對(duì)硅微粉造成二次污染。

▼國(guó)內(nèi)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(guó)科學(xué)院過程所袁方利等開發(fā)了射頻等離子體法制備球形硅微粉技術(shù)。首先建立穩(wěn)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(yīng)器，冷卻凝固后收集。

在該工藝中，通過調(diào)節(jié)N2的流量來控制原料的進(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(yīng)等離子法采用的是軸向內(nèi)送粉，延長(zhǎng)了樣品在等離子焰流中的停留時(shí)間；另外，高頻感應(yīng)設(shè)備不存在電極揮發(fā)對(duì)樣品的污染問題；還有感應(yīng)設(shè)備的反應(yīng)腔內(nèi)溫度高達(dá)30000K，更容易實(shí)現(xiàn)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(guī)模生產(chǎn)能力。

盡管近年來中國(guó)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(wěn)定性與國(guó)外產(chǎn)品比較還存在一定的差距，每年還需從國(guó)外進(jìn)口大部分的球形硅微粉產(chǎn)品。