CN109534350A

CN109534350A - 一种逆流电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置及方法

Info

Publication number: CN109534350A
Application number: CN201811634372.4A
Authority: CN
Inventors: 田辉明; 田正芳; 黄林勇; 陈中文; 杨水彬; 雷绍民
Original assignee: Huanggang Normal University
Current assignee: Huanggang Normal University
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-03-29

Abstract

本发明公开了一种逆流电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置及方法，包括微粉料仓、电加热炉、球化炉、成品仓和筛分系统。所述球化炉底部连接电加热炉；电加热炉下端连接压缩空气通道，压缩空气通道侧方与微粉料仓连接；球化炉底部还通过冷却管连通到成品仓；球化炉上部连接筛分系统。还公开了利用上述装置生产球形石英砂和球形石英粉的方法。本发明的有益效果：采用球化炉和分级系统的结合，实现了硅微粉的球化和分级；通过控制引风机的风量、压缩空气的气体流量及加料量实现颗粒粒径的实时调节旋风分离器的球形颗粒的粒径。

Description

一种逆流电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置及方法

技术领域

本发明属于非金属矿深加工技术领域，具体涉及一种球形微硅粉的生产装置和方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，人们对微电子元件的质量要求越来越高，使得硅微粉质量要求也越来越高。全球集成电路(IC)封装材料的97％采用环氧塑封料(EMC)，而在EMC的组成中，除主料酚醛环氧树脂外，硅微粉是用量最多的填料。硅微粉填料占环氧模塑料重量比达70％-90％。所以为了高质量的塑封料除了要求硅微粉超细、高纯度、低放射性元素外，还特别要求其颗粒球形化。这是因为：(1)球的表面流动性好，与树脂搅拌成膜均匀，使得树脂的添加量小，硅微粉的填充量达到最高，因此球形化意味着硅微粉填充率的增加，而硅微粉的填充率越高，其膨胀系数就越小，导热系数也越低，也就越接近单晶硅的热膨胀系数，由此产生的电子元器件的使用性能也越好；(2)与角形硅微粉制成的塑封料相比，球形塑封料盈利集中最小、强度最高，当角形粉的塑封料应力集中为1时，球形粉的应力仅为0.6，由此制成的微电子器件成品率高，便于运输、安装，并且在使用过程中不易产生机械损伤；(3)相比于角形硅微粉，球形粉摩擦系数小，对模具的磨损小，使得模具的使用寿命可提高一倍。(阮建军《球形硅微粉的研究进展》和李俊、蒋述兴《球形硅微粉》)

目前，我国所需要的高质量球形硅微粉部分还依赖进口，如何制备高纯、超细的球形硅微粉仍是国内粉体研究热点。现阶段球形硅微粉的制备方法主要包括物理法和化学法。

1、物理法

1.1、火焰成球法：火焰成球法首先对石英进行粉碎、筛分、提纯等前处理，然后将石英微粉送入燃气-氧气产生的高温场中，进行高温熔融、冷却成球，最终形成高纯度球形硅微粉。

具体可采用乙炔气、氢气、天然气等工业燃料气体作为熔融粉体的洁净无污染火焰为热源，此种方法涉及热力学、流体力学、颗粒流体力学等方面的理论。与等离子体高温火焰相比，不涉及电磁学理论及离子在电磁场中流动和运动的问题，生产易控制，易实现工业化大规模生产，是一种具有发展前途的生产工艺。

该方法的缺点在于：工业燃气--乙炔气和天然气在燃烧的过程中也会给产品质量带来一定的污染。氢气在使用过程中危险系数大。目前还未见该方法在工业上大规模、成熟的应用报道。

1.2、高温熔融喷射法：高温熔融喷射法是将高纯度石英在2100-2500℃下熔融为液体，经过喷雾、冷却，得到球形硅微粉。产品表面光滑，球形化率和非晶形率均可达到100％。据调研，美国的球形硅微粉主要采用此法生产的，由于涉及到高性能计算机技术，他们对外严密封锁。高温熔融喷射法易保证球化率和无定形率，但不易解决纯度和雾化粒径调整等问题。目前国内尚未见这方面研究和生产的报道。

1.3、自蔓延低温燃烧法：自蔓延低温燃烧法的工艺流程包括硅酸钠的制备、硅酸溶胶的制备、混合燃烧液的制备、燃烧反应、退火除碳、洗涤处理等步骤。

该技术方法具有的优点如下：

(1)可以以熔融硅微粉为原料，也可以推广至以天然粉石英为原料；(2)工艺简单，无特殊设备要求，操作方便，易于控制，生产成本低；(3)生产过程中使用的材料仅包含极易溶于水的钠离子和硝酸根离子，不会引入其他杂质离子，有利于高纯硅微粉的制备。

缺点在于：目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。

1.4、等离子体法：等离子体法的基本原理是利用等离子矩的高温区将二氧化硅(SiO₂)粉体熔化，由于液体表面张力的作用形成球形液滴，在快速冷却过程中形成球形化颗粒。此法能量高、传热快、冷却块，所制备的产品形貌可控、纯度高、无团聚。

该方法的缺点：目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。

1.5、高温煅烧球形化：高温煅烧球形化一般用于制备高纯超细球形硅微粉，主要是将矿粉经过煅烧、球磨、磁选和风选等工艺的处理制备高纯超细球形微硅粉。

该方法的优点：高纯超细球形硅微粉不仅球化率高、白度好、含硅量高、含铁铝少，pH值呈中性偏酸性、流动分散性好，膨胀和导热系数小，导电率低，耐腐蚀，生产成本低。

该方法的缺点：该技术目前还处于实验阶段。

2、化学法

2.1、气相法：气相法SiO₂(俗称气相法白炭黑)是由硅的卤化物在高温下水解制得的一种精细、特殊的无定形粉体材料。硅烷卤化物在氢氧燃烧火焰生成的水中发生高温水解反应，温度一般高达1200-1600℃，然后骤冷，再经过聚集、旋风分离、空气喷射脱酸、沸腾床筛选、真空压缩包装等后处理获得成品气相法生成的SiO₂产品纯度高，平均原生粒径为7-40nm，比表面积为50-380m²/g，SiO₂质量分数不小于99.8％。该方法的缺点在于有机物中难以分散且污染环境。

2.2、水热合成法：水热合成法是液相制备纳米粒子的一种常用方法，一般在100-350℃温度和高压环境下，使无机和有机化合物与水化合，通过对加速渗析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再经过滤、洗涤、干燥，得到高纯、超细的微粒子。水热法的优点是可直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需经过锻烧转化成氧化物这一步骤，从而降低了硬团聚的形成几率。

该法的缺点也很明显：受限于反应釜的大小，目前水热法制备SiO₂还处在实验室阶段。

2.3、溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成的氧化物或其他化合物固体的方法。此法的优点是化学均匀性好、颗粒细、纯度高、设备简单，粉体活性高。缺点在于：原材料较贵，颗粒问烧结性差，干燥时收缩性大，易出现团聚问题。

2.4、沉淀法：沉淀法以水玻璃和酸化剂为原料，适时加入表面活性剂，控制反应温度，在沉淀溶液pH值为8时加稳定剂，所得沉淀经洗涤、干燥，煅烧后形成硅微粉。沉淀法生成的SiO₂粒径均匀且成本低，工艺易控制，有利于工业化生产，但存在一定的团聚现象。

2.5、微乳液法：微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液，使成核、生产、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从乳液中析出固相，形成球形颗粒，避免了颗粒间进一步团聚。利用微乳液法制备SiO₂大多以正硅酸乙酯为硅源，通过正硅酸乙酯分子扩散，透过反胶束界面膜向水核内渗透，继而发生水解缩合反应，制得SiO₂。此法制备的产品粒度分布窄、粒径可控、分散性好。该法的缺点：目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。

3、喷雾法：喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理。此方法特点是颗粒分布比较均匀，但颗粒尺寸为亚微米到10μm，是一种合成粒径可控纳米粒子氧化物的新方法。该法的缺点：能耗高，干燥后的微粉团聚严重，使用很不方便。

通过对上述制备硅微粉各种方法的对比，我们可以大致得出：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较高。其中火焰成球法目前是一种可实现规模化生产且有发展前景的工艺技术，但是其存在纯度和雾化粒径调整的问题。

化学法可制备出高纯且粒径均匀的球形SiO₂，但由于需用大量的表面活性剂，因此存在生产成本高、有机杂质不易除净、容易团聚及难以工业化等缺点。本着经济的原则，如果能通过化学改性的方法.解决化学法的诸多问题，将对我国球形硅微粉的生产工业化及电子封装产业的快速发展有着深远的意义。

查询中国专利文献，没有发现直接利用高纯超细硅微粉直接雾化到2000-2300℃电加热的高温球化炉中制备高纯超细球形硅微粉的的产业化应用及工业化装置使用情况的报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置及方法。本发明提供的装置将雾化和球化结合起来，通过参数的控制和优化，使得所制备的球形微硅粉具有纯度高、粒径分布窄、粒径可控的优点。同时该装置通用性强，可适用于各种纯度和粒度的球形微硅粉的生产。

本发明所提供的制备方法采用了先雾化再球化的思路，即首先将一定粒度区间的高纯超细硅微粉用压缩气体带入的方式进行雾化，雾化后进入高温管中，雾化的硅微粉由于其粒径细小，在2000-2300℃高温下迅速熔化，然后在引风机的抽力及自身重力的作用下，熔化后的颗粒较大的微粒从球化炉底部途经冷却管至成品仓底部的过程中缓慢回落，冷却收缩成高纯超细球形硅微粉颗粒，与此同时颗粒较小的微粉颗粒通过多级旋风除尘器进行筛分，实现不同粒径的微粉颗粒的筛分。本发明所提供的装置使用的是逆流筛分的方式，颗粒较大的硅微粉受到重力作用回落到球化炉底部再进一步冷却落回成品仓中，粒径较大的颗粒受到压缩空气和进风装置的作用上浮并从球化炉出口进入到冷凝器中进而进行筛分。逆流筛分可以筛分出颗粒更小的颗粒。本发明的装置通过对旋风除尘器和引风机的参数控制可实现对颗粒粒径的控制。

本发明提供的方案如下：

一种逆流电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，包括微粉料仓、电加热炉、球化炉、成品仓和筛分系统。

所述球化炉底部连接电加热炉；电加热炉下端连接压缩空气通道，压缩空气通道侧方与微粉料仓连接。

球化炉底部还通过冷却管连通到成品仓。

球化炉上部连接筛分系统。

上述筛分系统包括冷凝器、旋风除尘器和引风机，三者依次连接；球化炉上部连接冷凝器。

上述旋风除尘器包括一级旋风除尘器、二级旋风除尘器和布袋除尘器，三者依次相连。

上述球化炉为圆柱型，上部出口为弧形以水平连接到筛分系统，底部出口也为弧形；球化炉的加热方式为电加热，内壁设置保温层。

上述的球化炉侧壁设置有观察窗。

上述电加热炉设置有温度计。

上述成品仓上端设置有排空阀门。

上述电加热炉底部还连接有进风装置，该进风装置包括风机和导管，风机通过导管连接到电加热炉。进风装置用于辅助雾化硅微粉并将其带入电加热炉中。

本发明的另一目的在于提供上述装置生产球形硅微粉的方法，包括以下步骤：

(1)预热电加热炉，开启引风机、雾化器和冷凝器，使电加热炉内的温度稳定在2000-2300℃；

(2)将高纯超细硅微粉物料加入到微粉料仓中，通入压缩空气以将硅微粉引入到电加热炉中；

(3)压缩空气将硅微粉带入电加热炉中；

(4)微粉迅速熔融并沉降；粒径较大的颗粒经冷却管落入成品仓中收集，粒径较小的颗粒经筛分系统收集。

上述颗粒的粒径可通过控制引风机的风量、压缩空气的气体流量及加料量实时调节。

本发明的有益效果：

(1)采用球化炉和筛分系统的结合，实现了硅微粉的球化和筛分；

(2)采用底部进料的方式，分级采用逆流筛分，粗颗粒在高温下熔化后即可进行球化，而细小的颗粒则熔化或气化后被引风机带入旋风分离器中冷却与球化，从而达到粗颗粒砂与细小颗粒的快速分离与快速球化的目的；

(3)球化过程通过引风机引入外力，结合颗粒自身的重力，有利于提高球化速度，并可通过控制引风机的风量调控粒径的大小；

(4)三级筛分系统有利于粒径的细分；

(5)观察窗的设计方便观察颗粒的雾化情况，以根据需要实时通过调节参数控制粒径的大小；

(6)通过控制引风机的风量、压缩空气的气体流量及加料量、颗粒粒径的实时调节进入第一旋风除尘器的风速25-35m/s。

附图说明

图1为本发明提供的装置的示意图；

附图标记：1-微粉料仓，2-压缩空气通道，3-电加热炉，4-球化炉，5-冷凝器，6-一级旋风除尘器，7-二级旋风除尘器，8-三级旋风除尘器，9-引风机，10-冷却管，11-成品仓，12-进风装置，121-风机，122-导管，13-温度计。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例1

图1示出了本发明提供的装置的结构。

一种逆流电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，包括微粉料仓1、电加热炉3、球化炉4、成品仓11和筛分系统。

所述球化炉4底部连接电加热炉3；电加热炉3下端连接压缩空气通道2，压缩空气通道2侧方与微粉料仓1连接。微粉料仓1下端设置有出料口。电加热炉3还设置有温度计13，以监测炉内的温度。

球化炉4底部还通过冷却管10连通到成品仓11。成品仓11上端设置有排空阀门111。排空阀门111可用于调节成品仓11内的压力状态。

球化炉球化炉4为圆柱型，上部出口为弧形以水平连接到筛分系统，底部出口也为弧形，便于粗颗粒砂在冷却过程中滑落到成品仓11；球化炉4的加热方式为电加热，内壁设置保温层，优选的，使用电加热丝进行加热。球化炉侧壁设置有观察窗41用于观察微粉颗粒的大小以方便调控粒径大小。优选的，球化炉4设置有两个观察窗，其中一个设置在球化炉底部的出口处用于观察粗颗粒的成球及其流动状态；另一个设置在球化炉中间的侧壁用于观察细小颗粒在炉内的运动状态。

筛分系统包括冷凝器5、旋风除尘器和引风机9，三者依次连接。优选的，旋风除尘器包括一级旋风除尘器6、二级旋风除尘器7和布袋除尘器8，三者依次连接。冷凝器5可选择风冷或水冷，优选的使用水冷。旋风除尘器选用XPX-Ⅱ型、CLK型或陶瓷多管型等；袋式除尘器选用DMCC型或GP型高温扁袋型等；冷却器选用间接风冷或间接水冷型；引风机采用G、Y4-73型或9-19、9-26型。球化炉4上部连接冷凝器5。

应用实施例1

以D90为800目的SiO₂：99.98％高纯硅微粉为例制备硅微粉

制备步骤如下：

1、把D90为800目的SiO₂：99.98％高纯硅微粉物料放入到受料斗备用。

2、开启供电开关，把电加热炉的温度控制调整2000-2300℃，当加热到大于或等于2000℃，再开启除尘器的引风机，用变频器调节风量大小，使电加热炉内的温度稳定在2000℃区间内。

3、接通冷凝器的冷凝水，通入压缩空气，打开进风装置，在两者的共同作用下硅微粉被带入到电加热炉中并迅速熔化。熔化后的硅微粉继而被空气带入到球化炉中，由于球化炉的直径与体积是高温管的N倍(N≥3)，其风力和风速与高温管内的风力和风速相比有着显著的降低，颗粒较大的微粉会在球化炉内沉降下落到球化炉底部经冷却管冷却收缩成球形，再落入成品仓中即得高纯超细球形硅微粉。粒径较小的硅微受到引风机的吸力作用进入冷凝器中，通过一、二旋风除尘后筛分后收集，最细的粉体将通过布袋除尘收集后再通过引风机排空。通过球化炉体外的观察窗观察物料在炉内的雾化状态，再适当调节引风机的风量、压缩空气的气体流量及物料的加料量大小以控制硅微粉的粒径,进入第一级旋风除尘器的风速为25m/s。

4、收集成品仓、一级和二级微粉收集器的产品，得到更细的且不同粒径的高纯超细球形硅微粉产品。

应用实施例2

以D99为325目SiO₂：99.95％高纯硅微粉为例制备球形硅微粉

制备步骤如下：

1、把D90为325目SiO₂：99.95％高纯硅微粉物料放入到受料斗备用。

3、接通冷凝器的冷凝水，通入压缩空气，打开进风装置，在两者的共同作用下硅微粉被带入到电加热炉中并迅速熔化。熔化后的硅微粉继而被空气带入到球化炉中，由于球化炉的直径与体积是高温管的N倍(N≥3)，其风力和风速与高温管内的风力和风速相比有着显著的降低，颗粒较大的微粉会在球化炉内沉降下落到球化炉底部经冷却管冷却收缩成球形，再落入成品仓中即得高纯超细球形硅微粉。粒径较小的硅微受到引风机的吸力作用进入冷凝器中，通过一、二旋风除尘后筛分后收集，最细的粉体将通过布袋除尘收集后再通过引风机排空。通过球化炉体外的观察窗观察物料在炉内的雾化状态，再适当调节引风机的风量、压缩空气的气体流量及物料的加料量大小以控制硅微粉的粒径,进入第一级旋风除尘器的风速为35m/s。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，其特征在于：

包括微粉料仓(1)、电加热炉(3)、球化炉(4)、成品仓(11)和筛分系统；

所述球化炉(4)底部连接电加热炉(3)；电加热炉(3)下端连接压缩空气通道(2)，压缩空气通道(2)侧方与微粉料仓(1)连接；

球化炉(4)底部还通过冷却管(10)连通到成品仓(11)；

球化炉(4)上部连接筛分系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：筛分系统包括冷凝器(5)、旋风除尘器和引风机(9)；冷凝器(5)、旋风除尘器和引风机(9)依次连接；球化炉(4)上部连接冷凝器(5)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述旋风除尘器包括一级旋风除尘器(6)、二级旋风除尘器(7)和布袋除尘器(8)，三者依次相连。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述球化炉(4)为圆柱型，上部出口为弧形以水平连接到筛分系统，底部出口也为弧形；球化炉的加热方式为电加热，内壁设置有保温层。

5.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于：所述的球化炉(4)侧壁设置有观察窗(41)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电加热炉(3)设置有温度计(13)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：成品仓(11)上端设置有排空阀门(111)。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电加热炉(3)底部还连接有进风装置(12)，该进风装置(12)包括风机(121)和导管(122)，风机(121)通过导管(122)连接到电加热炉(3)。

9.一种利用权利要求1所述装置生产球形硅微粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)压缩空气将硅微粉带入电加热炉中；

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述颗粒的粒径可通过控制引风机的风量、压缩空气的气体流量及加料量实时调节。