CN104773737B - 一种球形硅微粉的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属无机非金属粉体材料技术领域，具体涉及一种球形硅微粉的生产方法。为解决目前国内外球形硅微粉生产采用化学法存在投资大、产量低、成本高的问题，采用物理法存在球形化率不高、白度低、颗粒粗等问题，提供一种新型的高温气化生产方法。该方法选用天然水晶、石英矿物、硅料、熔融石英等为原料，经预处理后送入气化炉内高温气化，再经冷却、收集，得到微米级球形硅微粉。采用该工艺可生产出高纯度、无定型圆球状高品质硅微粉，非晶态率达100％，平均粒径达0.1～0.3μm，生产过程无废气、废水、固体废物排出，并且投资少，产量高，可用于规模化工业生产。

Description

一种球形硅微粉的生产方法

技术领域

本发明属无机非金属粉体材料技术领域，具体涉及一种球形硅微粉的生产方法。

背景技术

球形硅微粉是大规模和超大规模集成电路主要的封装材料，用量占电子封装材料的70-90％。它是以石英为原料制备成符合电子封装材料要求的高纯、微米或纳米、非晶态、球形硅微粉(二氧化硅)。随着我国微电子工业的迅速发展，大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求越来越高，不仅要求超微细，而且要求高纯度，特别是对于颗粒形状提出球形化要求。但制备球形硅微粉是一项跨科学高难度工程，目前世界上只有美国、日本、德国、加拿大和俄罗斯等少数国家掌握此技术。目前国内采购的球形氧化硅主要来自日本、韩国。进口的球形氧化硅价格高，且运输周期长。为了突破国外对我国球形硅微粉生产技术和专用设备的严密封锁，我国有20多家研究单位先后对该技术及装备进行了攻关，并取得了突破性进展。目前，大部分高质量球形硅微粉还依赖进口，制备高纯、超细、非晶质、球形硅微粉已成为我国粉体研究的重点。

球形硅微粉(SiO₂)具有纯度高、颗粒细、介电性能优良、热膨胀系数低、热导率高等优越性能，有广阔的发展前景，主要用于大规模和超大规模集成电路封装，在航空、航天、涂料、催化剂、医药、特种陶瓷及日用化妆品等技术领域也有应用。目前，球形硅微粉的制备方法主要包括物理法和化学法。物理法包括：①火焰成球法，②高温熔融喷射法，③等离子体法，④自蔓延低温燃烧法，⑤高温煅烧球形化法。化学法包括：①气相法，②水热合成法，③溶胶凝胶法，④沉淀法，⑤微乳液法，⑥喷雾法。物理法制备的球形硅微粉所需的原材料较为廉价，但对原材料石英质量和生产设备等要求高，产品的产率、成球率、非晶态化率都还有待提高。其中高温熔融喷射法生产的产品球形化率和非晶形率均可达到100％，美国主要采用此法生产，但由于涉及到高性能计算机技术，他们对外严密封锁，目前国内尚未见这方面的研究报道。化学法可制备出高纯且粒径均匀的球形SiO₂，但由于采用了大量的表面活性剂，使生产成本高，存在有机杂质不易除净、容易团聚及难以工业化等缺点。

本发明本着经济、实用、可工业化生产的原则，力图突破传统方法，开发一种新的生产技术，以实现低成本、高产量、规模化，生产出高纯度、超微细、非晶质球形硅微粉。

发明内容

为解决目前国内外球形硅微粉生产采用化学法存在投资大、产量低、成本高的问题，采用物理法存在球形化率不高、白度低、颗粒粗等问题，本发明提供一种新型的高温气化生产方法。采用该方法可生产出高纯度、无定型圆球状高品质硅微粉，非晶态率达100％，平均粒径达0.1～0.3μm，20～28m²/g，并且投资小、成本低、产量高，可用于规模化生产。

技术方案

本发明提供一种球形硅微粉的生产方法。该方法采用激光作为能量，利用激光的高密度功率辐射、使二氧化硅或硅原料气化蒸发的方式，来生产球形硅微粉，具体包括以下步骤：

步骤(1)：选用下述三类原料中的任意一种，经预处理或选料后备用：

a.天然水晶、天然石英矿物，先进行清洗、人工去杂，再经磨粉、酸洗、干燥，制成高纯度的粉料；

b.单晶硅、多晶硅下脚料，经破碎、磨粉，制成砂状物料；

c.熔融石英，选用高纯度、适当规格的棒料直接使用；

步骤(2)：将上述原料送至气化炉内气化平台上，用激光发生器产生的激光直接辐射原料，利用激光的高密度功率辐射效应，使二氧化硅原料吸收能量迅速达到沸点温度，蒸发气化成二氧化硅气体，或使硅原料吸收能量气化，在高温下与空气中的氧反应，生成二氧化硅气体；

步骤(3)：二氧化硅气体在引风机作用下被快速吸入骤冷器进行冷却，在高温环境中凝结成球形微粒；

步骤(4)：经收尘器收集，得到高纯度微米级或纳米级球形硅微粉。

上述步骤(1)为原料预处理工艺。原料可选用天然水晶、天然高纯石英砂、熔融石英、石英玻璃或单晶硅下角料等，要求纯度高、杂质低，特别是放射性元素含量一定要控制到符合高品质硅微粉的要求。原料可以是砂状，可以是粘结捧料，也可以是石英捧状、块料。原料预处理主要的目的是提纯。

上述步骤(3)采用水冷加风冷方式，使物料进入收尘器之前温度下降到200℃以下，以避免二氧化硅出现晶析现象。风冷所用空气要进行过滤以免将杂质带入。

上述步骤(4)所述收集包括旋风收集、布袋集尘或静电集尘。

上述技术方案采用激光辐射高温气化法生产高品质球形硅微粉。原料经选料或预处理后，持续进行送料、激光辐射气化、冷却、收集等工艺过程，为连续生产过程。气化炉中的原料经激光聚集辐射，不断地吸收能量，原料瞬间温度急剧升高，达到二氧化硅沸点温度2671℃以上，发生大规模爆发性气化，使原料不经过熔融而直接气化蒸发；或使硅原料气化，在高温下与空气中的氧反应，生成二氧化硅气体。之后进入骤冷器快速冷却，二氧化硅气体在高温的环境中凝结，受表面张力控制形成球形体。再经过旋风收集(微米级)、布袋集尘或静电集尘(纳米级)，在很短的时间里得到高纯、球形、非晶质、微米、纳米级硅微粉。

激光气化高纯石英，是利用大功率、高能量、高功率密度辐射，使高纯石英吸收激光能，转换成热量，加热二氧化硅，使材料温度＞3000℃，中心最高温度达到七万多度，在非常短的时间将石英气化蒸发。石英气化蒸发使颗粒超细达到微米、纳米级，同时SiO₂骤冷而成100％非晶态，并在快速冷却过程中凝结形成球形化颗粒。激光辐射气化提供的是非接触热源，使原料保证高纯度，不受其它杂质的污染，同时超高温气化作用也能使原料中的其它杂质气化除去，起到气化提纯的作用。由此生产的球形硅微粉能达到大规模集成电路封装材料的要求。

本发明工艺过程所需设备主要包括磨粉、干燥等预处理设备，及激光发生器、气化炉、骤冷器、旋风收尘器、布袋集尘器、静电集尘器等设备。除气化炉为特制设备外，其余均为常规工艺设备，工艺过程简单，生产流程控制简单易行。物料的气化、冷却、收集均在短时间内快速持续完成，生产周期短，效率高，能耗低，设备投资小，非常适于规模化生产。

同时该工艺适合多种原料加工，不局限于单一原料，对原料的形状、粒度要求低，粉砂料、块料、棒料均能投入生产，原料改变时无需更新生产线，因此有利于节约投资费用，生产成本低。

有益效果

本发明利用激光辐射高温气化法可生产出高纯度、无定型圆球状高品质硅微粉，使产品非晶态率达100％，平均粒径达0.1～0.3μm，20～28m²/g，生产过程无废气、废水、固体废物排出，不造成环境污染，投资少，产量高，能用于规模化工业生产。

具体实施方式

下面结合非限制性实施例对本发明进一步说明。

实施例1：选用高品质天然水晶或天然石英矿物，进行清洗、人工去杂，再经磨粉、酸洗、干燥，制成高纯度的粉料。将该粉料通过输送管道送至气化炉内气化平台上，开启激光发生器将激光聚焦至粉料上辐射加热，使二氧化硅粉料迅速达到沸点温度2671℃以上开始气化蒸发。粉料气化速度与送料速度相适应，为连续的气化过程。在引风机作用下，将陆续产生的二氧化硅气体吸入骤冷器进行冷却，使气态二氧化硅分子凝结成球形微粒，并在水冷加风冷作用下，将物料温度快速降至200℃以下。后经多级集尘器收集，得到高纯度微米级或纳米级球形硅微粉。

实施例2：选用单晶硅或多晶硅下脚料，经破碎、磨粉，制成砂状物料。将该物料通过输送管道送至气化炉内气化平台上，用激光聚焦至物料上进行辐射加热，使硅砂料迅速升温至3000℃以上，硅与炉内空气中的氧反应，在高温下生成二氧化硅气体。再将陆续产生的二氧化硅气体吸入骤冷器冷却，使气态二氧化硅凝结成球形微粒，并在水冷加风冷作用下，将温度迅速降至200℃以下。后经多级集尘器收集，得到高纯度微米级或纳米级球形硅微粉。整个送料、气化、氧化、冷却、收集过程为连续的生产过程。

实施例3：选用高纯度、适当规格的熔融石英棒料，通过输送管道送至气化炉内气化平台上，将激光聚焦至棒料端部直接辐射加热，使棒料端部温度迅速达到沸点2671℃以上开始气化蒸发。棒料端部的气化速度与棒料送入速度相适应，为一连续气化过程。在引风机作用下，将陆续产生的二氧化硅气体吸入骤冷器进行冷却，使气态二氧化硅凝结成球形微粒，并在水冷加风冷双重冷却下，将温度迅速降至200℃以下。后经多级集尘器收集，得到高纯度微米级或纳米级球形硅微粉。

Claims (4)

1.一种球形硅微粉的生产方法，采用激光作为能量，利用激光的高密度功率辐射、使原料气化蒸发的方式，来生产球形硅微粉，其特征在于：所述方法还结合了高温凝结成球工艺，并且批量生产出微米级或纳米级非晶质球形硅微粉，具体包括以下步骤：

步骤(1)：选用下述三类原料中的任意一种，经预处理或选料后备用：

a.天然水晶、天然石英矿物，先进行清洗、人工去杂，再经磨粉、酸洗、干燥，制成高纯度的粉料；

b.单晶硅、多晶硅下脚料，经破碎、磨粉，制成砂状物料；

c.熔融石英，选用高纯度、适当规格的棒料直接使用；

步骤(2)：将上述原料连续送料至气化炉内气化平台上，用激光发生器产生的激光直接辐射原料，利用激光的高密度功率辐射效应，使二氧化硅原料吸收能量迅速达到沸点温度，蒸发气化成二氧化硅气体，或使硅原料吸收能量气化，在高温下与空气中的氧反应，生成二氧化硅气体；

步骤(3)：二氧化硅气体在引风机的作用下被快速吸入骤冷器进行冷却，在高温环境中凝结成球形微粒；

步骤(4)：经旋风收集、布袋集尘或静电集尘，得到高纯度、非晶质微米级或纳米级球形硅微粉；

上述步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，为连续生产过程。

2.根据权利要求1所述的球形硅微粉的生产方法，其特征在于：该方法所用设备包括大功率激光发生器、气化炉、骤冷器。

3.根据权利要求1所述的球形硅微粉的生产方法，其特征在于：步骤(3)所述冷却采用水冷加风冷方式，使物料进入收尘器之前温度下降到200℃以下，以避免二氧化硅出现晶析现象，风冷所用空气要进行过滤以免将杂质带入。

4.根据权利要求1所述的球形硅微粉的生产方法，其特征在于：所述方法得到的球形硅微粉的平均粒径为0.1～0.3μm，20～28m²/g。