CN113248943A - 一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法、由此得到的粉体填料及其应用 - Google Patents

一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法、由此得到的粉体填料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法，其包括提供纯度≥99.5％且软化温度≥1600度的无定形二氧化硅粉体；将无定形二氧化硅粉体造粒得造粒粉体，无定形二氧化硅粉体的平均粒径≤造粒粉体的平均粒径/7；将造粒粉体在2000度以上的温度下进行火焰熔融球化，首先仅表面形成封闭熔融层，然后内部二氧化硅的熔融使得封闭熔融层增厚得平均粒径0.5～100微米且比重0.6～1.8的中空二氧化硅粉体填料。本发明还提供由上述制备方法得到的中空二氧化硅粉体填料。本发明又提供上述中空二氧化硅粉体填料的应用。根据本发明的中空二氧化硅粉体填料，通过在二氧化硅内部导入气孔以降低介电损失和介电常数。

Description

一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法、由此得到的粉体填 料及其应用
技术领域
本发明涉及电路板和半导体封装材料，更具体地涉及一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法、由此得到的粉体填料及其应用。
背景技术
在5G通讯领域，需要用到射频器件等组装成设备，高密度互连板(high densityinterconnect，HDI)、高频高速板和母板等电路板和半导体封装材料。这些电路板和半导体封装材料一般主要由环氧树脂，芳香族聚醚，氟树脂等有机高分子和填料所构成，其中的填料的主要功能是降低有机高分子的热膨胀系数。现有的填料选用球形或角形二氧化硅进行紧密充填级配。
随着技术的进步，半导体所用的信号频率越来越高，信号传输速度的高速化且低损耗化要求用于电路板(基板)材料或半导体(晶片)封装材料的填料具有低介电损失和介电常数。材料的介电常数基本取决于材料的化学组成和结构，球形或角形二氧化硅有其固有的介电常数，因此通过现有的方法制备得到的球形或角形二氧化硅的介电损失和介电常数无法进一步降低。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的二氧化硅的介电损失和介电常数无法进一步降低的问题，本发明旨在提供一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法、由此得到的粉体填料及其应用。
本发明提供一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法，其包括如下步骤：S1，提供无定形二氧化硅粉体，无定形二氧化硅粉体的纯度≥99.5％且软化温度≥1600度；S2，将无定形二氧化硅粉体造粒得造粒粉体，无定形二氧化硅粉体的平均粒径≤造粒粉体的平均粒径/7；S3，将造粒粉体在2000度以上的温度下进行火焰熔融球化，首先表面形成封闭熔融层，然后内部二氧化硅的熔融使得封闭熔融层增厚得中空二氧化硅粉体填料，中空二氧化硅粉体填料的平均粒径为0.5～100微米且比重为0.6～1.8。
优选地，无定形二氧化硅粉体的纯度为99.5％-99.9％。
优选地，无定形二氧化硅的软化温度为1600-1700度。
优选地，造粒粉体的平均粒径是无定形二氧化硅粉体的平均粒径的7-40倍。
优选地，中空二氧化硅粉体填料的平均粒径为0.6-70微米。
优选地，中空二氧化硅粉体填料的纯度≥99.5％。
本发明还提供由上述制备方法得到的中空二氧化硅粉体填料。
本发明又提供上述中空二氧化硅粉体填料的应用，其中，不同粒径的中空二氧化硅粉体填料紧密填充级配在树脂中形成复合材料。
优选地，中空二氧化硅粉体填料通过干法或湿法的筛分或惯性分级来除去1、3、5、10、或20微米以上的粗大颗粒。
优选地，中空二氧化硅粉体填料进行表面处理，例如进行硅烷偶联剂等表面处理。
根据本发明的中空二氧化硅粉体填料，通过在二氧化硅内部导入气孔以降低介电损失和介电常数。
附图说明
图1是根据本发明的中空二氧化硅粉体填料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，根据本发明的中空二氧化硅粉体填料的制备方法首先包括提供无定形二氧化硅粉体，该无定形二氧化硅粉体满足：二氧化硅的纯度≥99.5％，无定形二氧化硅的软化温度≥1600度。应该理解，这里的无定形二氧化硅(amorphous silca)也被称为玻璃状二氧化硅粉体或非定晶二氧化硅。应该理解，这里仅要求无定形二氧化硅粉体的纯度≥99.5％且软化温度≥1600度，本发明对无定形二氧化硅粉体的制法没有特别要求。通常高纯度的无定形二氧化硅可由有机硅物质用合成法如溶胶凝胶法制得，四氯化硅或单质硅燃烧制得。
如图1所示，根据本发明的中空二氧化硅粉体填料的制备方法接下来包括将无定形二氧化硅粉体造粒得造粒粉体，无定形二氧化硅粉体和造粒粉体的平均粒径满足：无定形二氧化硅粉体的平均粒径≤造粒粉体的平均粒径/7。应该理解，二氧化硅的粒径可由合成方法的条件，或机械粉碎等方法来调整。应该理解，这里仅要求无定形二氧化硅粉体的平均粒径≤造粒粉体的平均粒径/7，本发明对造粒的方法没有特别要求，如喷雾造粒，滤饼干燥后气流磨打散等方法都适用于本发明。
如图1所示，根据本发明的中空二氧化硅粉体填料的制备方法接下来包括将造粒粉体在2000度以上的温度下进行火焰熔融球化，首先仅表面形成封闭熔融层，然后内部二氧化硅的熔融使得封闭熔融层增厚得中空二氧化硅粉体填料，该中空二氧化硅粉体填料满足：平均粒径0.5～100微米，比重1.8～0.6，纯度≥99.5％。在本实施例中，该熔融球化在烧枪中进行。实践表明，中空二氧化硅粉体填料的平均粒径小于0.5微米时不容易得到比重轻的中空球，平均粒径大于100微米时火焰熔融球化本身困难。应该理解，中空二氧化硅粉体填料的中空的空间大时比重轻，反之比重大。实践表明，中空二氧化硅粉体填料的比重大于1.8时中空的空间不够大不能满足低诱电率低诱电损失的要求，中空二氧化硅粉体填料的比重小于0.6时中空球的外壁厚度薄机械强度低。特别地，比重在1.8～0.6时，中空二氧化硅粉体填料的介电损失和介电常数远远低于液体或固体的特性，从而满足电路板的日益增长的信号传输速度的高速化且低损耗化要求。
在将造粒粉体投入2000度以上的火焰时，造粒粉体的表面首先熔融。由于无定形二氧化硅粉体的纯度≥99.5％且软化温度高达1600度以上，无定形二氧化硅的热导率低，一开始的熔融只发生在造粒粉体的表面。当无定形二氧化硅粉体的平均粒径≤造粒粉体的平均粒径/7时，仅表面形成封闭的熔融层，内部的二氧化硅不发生熔融。当无定形二氧化硅粉体的平均粒径＞造粒粉体的平均粒径/7时，在表面形成封闭的熔融层时内部的二氧化硅也大量熔融，不能得到有足够空间的中空粉体。当无定形二氧化硅粉体的软化温度低于1600度时，造粒粉体的表面和内部几乎同时熔融，不能得到有足够空间的中空粉体。二氧化硅的软化温度一般因碱金属，碱土金属，硼元素等的混入会大幅降低。二氧化硅的软化温度可由GB/T28195-2011国家标准玻璃软化点测试方法来测试，试样可将二氧化硅粉体熔融后制得。二氧化硅的纯度可由GB/T6901-2008的8.1氢氟酸重量法检测。
在表面封闭熔融层形成后，后续的加热会使内部的二氧化硅熔融并且和表面熔融层一体化，最终形成中空二氧化硅粉体填料。由于熔融层的表面张力，最终生成的中空二氧化硅通常是球形，因此本发明对造粒粉体的形貌没有特别要求，其通过熔融球化均能得到中空二氧化硅球形粉体。
以下实施例中涉及的检测方法包括：
平均粒径用HORIBA的激光粒度分布仪LA-700测定；
软化温度用GB/T28195-2011国家标准玻璃软化点测试。测试用的玻璃试样片是将二氧化硅粉体熔融制得；
二氧化硅纯度用GB/T6901-2008的8.1氢氟酸重量法检测；
粉体的比重用氦气比重仪测定；
在本文中，“度”指的是“摄氏度”，即℃；
在本文中，平均粒径指粒子的体积平均直径。
例1
将四氯化硅，氧气，氢气燃烧，并将生成的纯度为99.9％且软化温度为1700度的二氧化硅沉积于无定形二氧化硅坨上。将二氧化硅坨破碎得二氧化硅块。将块粉碎，最后用砂磨机湿法磨至不同粒径的浆料。浆料用喷雾造粒得不同粒径的造粒粉体。将造粒粉体投入火焰温度约2400度的烧枪中进行球化。结果列入下表1。
表1
Figure BDA0003067351910000041
Figure BDA0003067351910000051
例2
将市售的单质硅燃烧制得的亚微米球形氧化硅分散在水中，过滤后得滤饼。将滤饼干燥后得纯度为99.5％且软化温度为1700度的团聚体。团聚体用气流磨打散至不同粒径的造粒粉体。将造粒粉投入火焰温度约2100度的烧抢中进行球化。结果列入下表2。
表2
Figure BDA0003067351910000052
应该理解，上述实施例1-实施例6所得到的实施例样品可以进行表面处理。具体的，根据需要可进行乙烯基硅烷偶联剂，环氧硅烷偶联，二硅氮烷等进行处理。根据需要还可以进行一种以上的处理。
应该理解，该制备方法包括使用干法或湿法的筛分或惯性分级来除去中空二氧化硅粉体填料中的1、3、5、10、20微米以上的粗大颗粒。
应该理解，不同粒径的中空二氧化硅粉体填料紧密填充级配在树脂中形成复合材料。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种中空二氧化硅粉体填料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
S1，提供无定形二氧化硅粉体，无定形二氧化硅粉体的纯度≥99.5％且软化温度≥1600度；
S2，将无定形二氧化硅粉体造粒得造粒粉体，无定形二氧化硅粉体的平均粒径≤造粒粉体的平均粒径/7；
S3，将造粒粉体在2000度以上的温度下进行火焰熔融球化，首先表面形成封闭熔融层，然后内部二氧化硅的熔融使得封闭熔融层增厚得中空二氧化硅粉体填料，中空二氧化硅粉体填料的平均粒径为0.5～100微米且比重为0.6～1.8。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，无定形二氧化硅粉体的纯度为99.5％-99.9％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，无定形二氧化硅的软化温度为1600-1700度。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，造粒粉体的平均粒径是无定形二氧化硅粉体的平均粒径的7-40倍。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，中空二氧化硅粉体填料的平均粒径为0.6-70微米。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，中空二氧化硅粉体填料的纯度≥99.5％。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法得到的中空二氧化硅粉体填料。
8.一种根据权利要求7所述的中空二氧化硅粉体填料的应用，其特征在于，不同粒径的中空二氧化硅粉体填料紧密填充级配在树脂中形成复合材料。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，中空二氧化硅粉体填料通过干法或湿法的筛分或惯性分级来除去1、3、5、10、或20微米以上的粗大颗粒。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，中空二氧化硅粉体填料进行表面处理。
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