JP2003034521A - 微細球状シリカ粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金属シリコン不純物の残存があってもそれが極
めて少ない高純度の微細球状シリカ粉末を工業的規模で
容易に製造する。 【解決手段】高温火炎を形成しているバーナーから金属
シリコン粉末原料を噴射し、それを酸化燃焼させて微細
球状シリカ粉末を製造する方法において、上記バーナー
を囲周する複数本の包囲炎形成用バーナーによって上記
高温火炎の包囲炎を形成させ、金属シリコン粒子が高温
火炎から離脱させないようにすることを特徴とする微細
球状シリカ粉末の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、微細球状シリカ粉
末の製造方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、半導体産業においては、半導体の
高集積化が進むにつれ、半導体チップの封止材の高性能
化が求められ、特に電気絶縁性、低膨張率などの機能が
要求されている。この要求を満たすため、合成樹脂、特
にエポキシ樹脂に、溶融処理された無機質粒子、特に溶
融シリカ粒子をフィラーとして充填した封止材が一般に
用いられている。そして、このシリカ質粒子が球状の形
状を持ったものであると、高充填することができ、しか
も封止する際の流動性や耐金型摩耗性にも優れているの
で、現在では球状シリカが多用されている。 【０００３】このような球状シリカは、例えば金属シリ
コン粒子を火炎中に投じて酸化反応させながら球状化す
る方法、金属アルコラートを特定の条件でゾルゲル法に
より析出させ球状化する方法、不定形の粒子を粉砕機の
中で粒子の角を取り疑似球状化する方法、シリカ粉末を
高温火炎中で溶融又は軟化する方法、などによって製造
できることが知られている。 【０００４】しかしながら、封止材にフィラーを高充填
させた場合、それが球状シリカであっても封止材の流動
性が低下し、様々な成形性不良を引き起こすという問題
がある。 【０００５】そこで、フィラーが高充填された場合であ
っても、その封止材の成形性（流動性）を損なわせない
ようにした技術として、例えばロジンラムラー線図で表
示した直線の勾配を０．６〜０．９５とし粒度分布を広
くする方法（特開平６−８０８６３号公報）、ワーデル
の球形度で０．７〜１．０とし、より球形度を高くする
方法（特開平３−６６１５１号公報）、封止材の流動性
を高めるため、平均粒子径０．１〜１μｍ程度の球状微
小粉末を少量添加する方法（特開平５−２３９３２１号
公報）、などが提案されている。 【０００６】これらの中でも、球状微小粉末を少量添加
する方法は、フィラーの高充填域においても封止材の流
動特性やバリ特性が飛躍的に改善できるため、最近注目
を浴びている。この様な球状の微小粉末は、金属粉末の
粉塵雲を形成し爆燃を起こさせ酸化物超微粒子を合成す
る方法（特公平１−５５２０１号公報）、シリカ粉末と
金属シリコン又は炭素粉末と水とを含む混合原料を還元
雰囲気下で熱処理しその後冷却する超微粉シリカの製造
方法（特開２０００−２４７６２６号公報）が提案され
ている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】原料に金属シリコン粉
末を用いる微細球状シリカ粉末の製造法においては、金
属シリコン粉末を火炎などの高温場に供給し、酸化反応
を起こさせて微細球状シリカ粉末とするが、その酸化反
応時に十分な熱量が得られず、未反応のまま高温場外に
離脱する金属シリコン粒子が問題となる。この金属シリ
コン粒子は捕集系において不純物として確認され、反応
して得られるシリカ粒子との分離は容易ではない。 【０００８】金属シリコンの未反応を防ぐためには、原
料に十分な熱量が伝わる反応場を作ることが必要であ
る。その方法としては、径の小さい燃焼用の筒内で反応
させたり、燃焼室のように容積の小さいスペースを確保
したりする方法が考えられる。しかしながら、このよう
な反応場を形成する筒や容器は、小さいスペースである
ために発生したシリカ微粒子が内壁に付着し易い。その
付着粉が更に高温の火炎に曝されることで溶融固化し、
筒や容器のスペースを更に小さくし、連続的な操業が困
難となるといった問題が生じる。 【０００９】また、反応場を作るのに十分に大きい火炎
を形成するようなバーナーを用いて金属シリコンの未反
応を防止することも考えられるが、金属シリコンの反応
に必要な熱量に対し非常に過剰の熱量を費やすことにな
り、製造コストが増大するといった問題が生じる。 【００１０】本発明の目的は、上記に鑑み、金属シリコ
ンを原料として微細球状シリカ粉末を製造する方法にお
いて、未反応の金属シリコンを残存させることなく、連
続操業が可能でかつコスト的に有利な方法を提供するこ
とである。 【００１１】すなわち、本発明は、高温火炎を形成して
いるバーナーから金属シリコン粉末原料を噴射し、それ
を酸化燃焼させて微細球状シリカ粉末を製造する方法に
おいて、上記バーナーを囲周する複数本の包囲炎形成用
バーナーによって上記高温火炎の包囲炎を形成させ、金
属シリコン粒子が高温火炎から離脱させないようにする
ことを特徴とする微細球状シリカ粉末の製造方法であ
る。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明する。 【００１３】本発明においては、平均粒径５〜５０μｍ
程度の金属シリコン粉末原料（以下、単に「原料」とい
う。）を、キャリアガス又は液体スラリーとして高温火
炎の形成された高温炉内に供給し、金属シリコン粉末を
酸化燃焼させ微細球状シリカを製造する際に、その反応
させる高温火炎の周囲に別の火炎（以下、「包囲炎」と
もいう。）を形成させることが特徴であり、それによっ
て、高温炉の内壁近傍の領域までを十分に高い温度に保
持して反応性を高めると共に、包囲炎の勢いにより高温
火炎から金属シリコン粒子が離脱するのを防止すること
ができる。なお、本発明において、高温火炎は、高温炉
に設置されたバーナー（以下、「中心バーナー」ともい
う。）から燃料を噴射することによって形成され、その
中心バーナーからは原料も噴射される。高温火炎の温度
は１８００℃以上が好ましい。 【００１４】包囲炎は、金属シリコン粒子の高温火炎外
への離脱を防止するに十分な火炎長さが必要である。包
囲炎の形成ガス速度は、原料を炉内に供給する速度と同
等以上であることが好ましい。同等未満であると、火炎
長さが原料供給速度に対し十分な長さを保てず、高温火
炎外に離脱する金属シリコン粒子が多くなる。 【００１５】原料はその金属シリコン粒子の反応性を高
めるために、分散させて供給することが好ましく、それ
にはキャリアガスを用いるか、液体スラリーとするか、
又はその両方とすることが望ましい。原料が分散供給さ
れるので、包囲炎は高温場を保つためにある程度の広が
りが必要である。包囲炎の広がりは、原料を炉内に供給
する供給口の口径に対し１０〜１００倍、特に２０〜８
０倍にすることが好ましい。１０倍よりも近い距離とす
ると、原料分散により包囲炎の高温火炎外に離脱する割
合が高くなり、１００倍よりも遠い距離とすると、高温
場を保つために必要以上の熱量が必要となる。 【００１６】包囲炎を形成するためのバーナー（以下、
「包囲炎形成用バーナー」ともいう。）は、包囲炎形成
可能であればその構造は限定しない。たとえば、複数の
小型バーナーを中心バーナーの外部円周上に配置する、
中心バーナーの外部円周上にガス孔を有するドーナツ状
バーナーを設置する等が考えられるが、包囲炎を任意に
変化させることができ、しかも取り扱いの観点から、複
数の小型バーナーを配置する方法が好ましい。小型バー
ナーを配置する場合、複数本のバーナーの火炎がそれぞ
れ連接ないしは重なりをもって包囲炎を形成させること
が重要であり、それにはバーナー構造、供給ガス量など
にもよるが、バーナー本数は３本以上、好ましくは４本
以上は必要である。 【００１７】高温火炎及び包囲炎を形成するための燃料
ガスとしては、プロパン、ブタン、プロピレン、アセチ
レン、水素等が使用され、また助燃ガスとしては、酸
素、空気が使用される。 【００１８】本発明で使用される高温炉は、高温火炎の
形成ないしは高温火炎の形成と共に原料を高温火炎中に
供給することのできるものである。このような高温炉に
は多くの形式・構造のものが知られているが、炉体内へ
の粉体付着、火炎の安定性、操業性等の観点から竪型炉
が好ましい。 【００１９】高温炉で生成した微細球状シリカ粉末は、
ブロワーなどで燃焼ガスとともに捕集系に吸引輸送さ
れ、バグフィルターなどの一般的な捕集器で捕集され
る。 【００２０】 【実施例】以下、本発明を実施例、比較例をあげて更に
具体的に説明する。 【００２１】図１に本発明で用いた微粉球状シリカ粉末
の製造装置を示す。この製造装置は、燃料ガス供給管
４、助燃ガス供給管５、原料供給管７がそれぞれ接続さ
れてなる中心バーナー２が、高温炉１の頂部に設置され
ている。その中心バーナー２の外周には包囲炎１１を形
成させる包囲炎形成用バーナー３が８本設置されている
（図２参照）。中心バーナー２の中心につながる原料供
給管からはポンプ６で搬送される金属シリコン粉末の水
スラリーが噴出される。中心バーナー２の原料供給口１
２は任意のサイズが選択でき、その原料供給口１２から
包囲炎形成用バーナー３までの距離Ｌは任意の値が取れ
るように設計されている。高温炉で生成した微細球状シ
リカ粉末は、バグフィルター８、ブロワー９からなる捕
集系に空気輸送されるようになっている。 【００２２】実施例１ 上記製造装置を用いて微粉球状シリカ粉末を製造した。
金属シリコン粉末（平均粒径：１２μｍ）１００質量部
と水１００質量部を混合し水系スラリー（固形分濃度５
０％）を調製した。これを中心バーナー２の中心に設置
された２流体ノズル（アトマックス社製「ＢＮＨ５００
Ｓ−ＩＳ」）から、ポンプにて高温火炎中に１００Ｌ／
ｈｒで噴霧した。２流体ノズルの分散気体は２８Ｎｍ３
／ｈｒの酸素を用いた。なお、中心バーナー２からは、
燃料ガスとしてＬＰＧ：８Ｎｍ３／ｈｒ、助燃ガスとし
て酸素：４０Ｎｍ３／ｈｒを噴射し、温度約１９００℃
の高温火炎が形成されている。一方、包囲炎形成用バー
ナー３からは、１本当たり燃料ガスとしてＬＰＧ：３Ｎ
ｍ３／ｈｒ、助燃ガスとして酸素：１５Ｎｍ３／ｈｒを
供給し包囲炎を形成させた。 【００２３】バグフィルターにて捕集された微粉シリカ
粉末は、一部炉体への付着があったが、９５％の回収率
であった。捕集された粉末をＸ線回折分析により金属シ
リコン残存率を以下に従い測定した。その結果を表１に
示す。 【００２４】金属シリコン残存率 粉末Ｘ線回折装置（日本電子社製「ＪＡＸ−３５０
０」）を用い、ＣｕＫα線の２θが２７．５°〜２９．
５°の範囲において、試料のＸ線回折分析を行った。金
属シリコンの場合は、２８．４４°に主ピークが存在す
るが、溶融シリカではこの位置には存在しない。金属シ
リコンと溶融シリカが混在していると、それらの割合に
応じて２６．７°のピーク高さが変化する。そこで、溶
融シリカ標準試料のＸ線強度に対する試料のＸ線強度の
比から、金属シリコン残存率（試料のＸ線強度／金属シ
リコンのＸ線強度）を算出することができる。 【００２５】実施例２〜６ 包囲炎形成用バーナー３のガス量、原料供給量、原料供
給口からの距離Ｌを種々変えたこと以外は、実施例１に
準じて微細球状シリカ粉末を製造した。 【００２６】実施例７、８ 比較例１〜３ 包囲炎形成用バーナーの本数を変え、中心バーナー２の
ガス量を変化させたこと以外は、実施例１に準じて微細
球状シリカ粉末を製造した。比較例１、２では包囲炎形
成用バーナーを全く使用しない条件とした。比較例３で
は包囲炎形成用バーナーを中心バーナーに対称に２本用
いた。実施例７、８ではそれぞれ３、４本の包囲炎形成
用バーナーをを中心バーナーの外周上に等間隔に設置し
た。 【００２７】実施例９、１０ 原料供給の２流体ノズルの原料供給口を直径２．０ｍｍ
（アトマックス社製「ＢＮＨ１６０Ｓ−ＩＳ」）に変更
し、分散気体を１５Ｎｍ³ ／ｈｒに変更した。また、原
料供給口からの距離Ｌを変化させた。その他は実施例１
に準じて微細球状シリカ粉末を製造した。 【００２８】実施例１１〜１３ 原料輸送供給の手段をキャリアガスとし、中心バーナー
２に設置した直径２０．０ｍｍの原料供給口から直接火
炎内に溶射した。キャリアガスには３０Ｎｍ³／ｈｒの
酸素を使用した。また、包囲炎形成用バーナー３のガス
量、原料供給口からの距離Ｌを種々変えた。その他は実
施例１に準じて微細球状シリカ粉末を製造した。 【００２９】比較例４、５ 包囲炎形成用バーナーを使用せず、中心バーナー２のガ
ス量を変化させたこと以外は実施例１１に準じて微細球
状シリカ粉末を製造した。 【００３０】 【表１】【００３１】 【表２】【００３２】表１、表２から明らかなように、本発明の
方法で製造された微細球状シリカ粉末は、製品中に残存
する金属シリコンをなくすことができる。また、本発明
で製造された微細球状シリカ粉末は、ＳＥＭ写真からそ
の形状が球状であることが確認され、レーザー回折散乱
法粒度分布測定装置（コールター社製「ＬＳ−２３
０」）による測定から、その平均粒径はいずれも０．１
０〜１．０μｍであることを確認した。 【００３３】 【発明の効果】本発明の製造方法によれば、金属シリコ
ン不純物の残存があってもそれが極めて少ない高純度の
微細球状シリカ粉末を工業的規模で容易に製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 微細球状シリカの製造装置の概略図。 【図２】 中心バーナーと包囲炎形成用バーナーとの関
係図。 【符号の説明】 １ 高温炉 ２ 中心バーナー ３ 包囲炎形成用バーナー ４ 燃料ガス供給管 ５ 助燃ガス供給管 ６ ポンプ ７ 原料供給管 ８ バグフィルター ９ ブロワー １０ 中心火炎 １１ 包囲炎 １２ 原料供給口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 高温火炎を形成しているバーナーから金
   属シリコン粉末原料を噴射し、それを酸化燃焼させて微
   細球状シリカ粉末を製造する方法において、上記バーナ
   ーを囲周する複数本の包囲炎形成用バーナーによって上
   記高温火炎の包囲炎を形成させ、金属シリコン粒子が高
   温火炎から離脱させないようにすることを特徴とする微
   細球状シリカ粉末の製造方法。