JP4330298B2

JP4330298B2 - 球状無機質粉末の製造方法

Info

Publication number: JP4330298B2
Application number: JP2001324639A
Authority: JP
Inventors: 研也善場; 光芳岩佐
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003175329A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体樹脂封止用充填材に好適な球状無機質粉末の製造方法に関する。本発明に適用される無機質粉末としては、アルミナ、シリカ、マグネシア、それらを成分とする複化合物等であるが、以下、シリカを例にとって説明する。
【０００２】
【従来の技術】
高純度シリカを高温で溶融し、冷却したものは非晶質網目構造を持ち、低膨脹性、耐熱衝撃性、低熱伝導性であるので耐熱材料として古くから賞用されている。また、化学的にも安定で高絶縁性であり、高周波誘電体損失も少ないことから、粉末は半導体封止樹脂用フィラーとして用いられ、特に球状のものは流動性や充填性の向上に役立っている。中でも、真球に近いものほど充填性、流動性、耐金型摩耗性に優れているので、高球形度のフィラーが追求されている。
【０００３】
通常、球状シリカ質粉末は、可燃ガスと助燃ガスとの燃焼反応によって形成される高温火炎中に、シリカ質原料粉末を乾燥状態で助燃ガスで搬送させて供給し、その融点以上で溶融球状化して製造される。この場合における大きな課題は、原料中の微粉粒子は単独の球状粒子として得にくく、微粉粒子同士あるいは微粉粒子と粗粉粒子が合着結合することが多いので、得られた球状シリカ質粉末の球形度は悪くなり、また微粉粒子同士が凝集したまま火炎中を通過した粒子は溶融率も低くなることである。
【０００４】
この現象は、シリカ質粉末の平均粒径が小さくなればなるほど顕著となり、特開２００１−４８５２１公報でも１μｍ以下の粒子が１５重量％を超えると、原料粉が分散不良のままダマの状態で火炎中に噴射されるようになり、未溶融の微細粉が混入し、溶融率も低くなると記載されている。
【０００５】
この問題を解決するため、原料・装置・操業条件等のあらゆる角度からの検討が従来より行われているが、そのうちの１つに原料を高速で噴射させることの提案（特開平１３−０８９１３０号公報）がある。この方法によれば、粒子同士の凝集や合着結合が抑制できるが、その反面、多量の原料搬送用ガスの使用や高圧のガスの使用が余儀なくされ、またテーブルフィーダーを使用した場合には背圧上昇を招くのでフィーダー自体の耐圧性も考慮しなければならないという設備上の不具合がある。また、原料供給量を下げてこの課題を解決することは、製造能力が低下するので好ましくない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記問題を解決すべく、無機質粉末原料を乾燥状態で供給する乾式噴射法において、いかにして原料を高温火炎中に高分散させるかについて鋭意検討した結果、複合管ノズルの内管から無機質粉末を助燃ガスにて噴射し、その外管から燃料ガスを旋回させて噴射すれば良いことを見い出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の目的は、高球形度の球状無機質粉末の生産性向上法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二重管構造ノズルの内管から、無機質粉末原料を乾燥状態で助燃ガスにて搬送させて炉内に噴射すると共に、外管からは、燃料ガス又は燃料ガスと助燃ガスの混合ガスを噴射し、高温火炎を形成させながら無機質粉末を球状化させ、それを捕集系に導いて球状無機質粉末を捕集する方法であって、上記外管から噴射させる燃料ガス又は燃料ガスと助燃ガスの混合ガスを、２．０≦Ｓ／Ｖ≦３．３｛（但し、Ｖ：内管のガス噴射速度（ｍ／ｓ）、Ｓ：外管のガス噴射速度（ｍ／ｓ）｝、の条件で、しかもノズル先端に取り付けられた風車により、接線方向及び法線方向のいずれも３０〜６０°の角度をつけ、旋回させて炉内に噴射することを特徴とする球状無機質粉末の製造方法である。
【０００８】
【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。
【０００９】
本発明で用いられる無機質粉末原料は、比較的良質の珪石、水晶、珪砂等を振動ミル等で粉砕して得られたシリカが例示される。また、アルミナ、マグネシア、更にはシリカ、アルミナ、マグネシアのいずれかを少なくとも一成分とする複化合物である。その平均粒径は１〜８０μｍの微粉ないしは粗粉である。本発明においては、凝集し易い１μｍ以下の含有量の多い微粉原料であっても効果的に処理することができる。無機質粉末原料は、後述のように、乾燥状態のままガスに搬送されて炉内に形成された高温火炎に噴射される。
【００１０】
高温火炎は、無機質粉末原料を搬送する助燃ガスと旋回させた燃料ガスの燃焼によって形成され、火炎温度は１８００℃以上であることが好ましい。その際の燃料ガスとしては、アセチレン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素系のガスあるいはこれらの混合ガスが用いられ、助燃ガスとしては、酸素を含むガスであるが、９３質量％以上の酸素ガスが高温火炎を形成する点から好ましい。
【００１１】
本発明においては、無機質粉末原料、燃料ガス及び助燃ガスは、二重管構造ノズルから噴射される。無機質粉末原料は乾燥状態のまま、助燃ガスに搬送されて二重管構造ノズルの内管から噴射される。ノズル先端部は無機質粉末を含むガスが流れるので、摩耗し易いため、セラミックスのような耐摩耗処置が施されていると、更なる長時間の安定操業が可能となる。
【００１２】
二重管構造ノズルの外管からは、燃料ガス又は燃料ガスと助燃ガスとの混合ガスが噴射される。本発明で重要なことはそのガスを旋回させて噴射させることである。これによって、燃料ガスが燃焼する際の体積膨張により、無機質粉末原料の高温火炎中への分散が促進され、溶融率及び球形度が向上する。旋回させるガスは、燃料ガス又は燃料ガスと助燃ガスとの混合ガスであるが、好ましくは燃料ガスである。
【００１３】
ガスの旋回は、無機質原料の噴射方向すなわち高温火炎の長手方向に沿って行わせることが好ましく、旋回ガスの噴射角度は時計回り又は反時計回りに、接線方向及び法線方向のいずれも３０〜６０°の角度をつけることが好ましい。ガスの旋回は、上記外管の噴射口付近に取り付けられた風車によって行われる。
【００１４】
本発明においては、外管からのガスは、２．０≦Ｓ／Ｖ≦３．３（但し、Ｖ：内管のガス噴射速度（ｍ／ｓ）、Ｓ：外管のガス噴射速度（ｍ／ｓ））の条件で噴射される。Ｓ／Ｖが１．０よりも小さいと、原料を搬送するガスの噴射速度が旋回させるガス噴射速度を上回るため、原料の高温火炎への分散効果が弱まり、微粉粒子同士の合着結合の阻止効果が小さくなる。逆に、Ｓ／Ｖが４．０よりも大きいと、原料の搬送ガス流量が不安定となって分散効果が向上せず、また溶融球状化する前に高温火炎から離脱する粒子も多くなる。
【００１５】
溶融球状化処理された粉末は、例えば図１に示されるように、重力沈降室、サイクロン、バグフィルター等の捕集系に導かれ捕集される。図１は、球状シリカ質粉末の製造設備の一例を示す説明図である。原料フィーダー１と、複合管構造ノズル２の設置された水冷ジャケット式の縦型炉体４と、高温火炎３により溶融球状化処理した球状シリカ質粉末をブロワー８で吸引・分級するためのサイクロン６と、サイクロン６では捕集できなかった超微粉を回収するバグフィルター７とにより構成されている。高温排ガスは、水冷ジャケット連絡管５によって冷却される。９は吸引ガス量制御バルブ、１０はガス排気口、１１は捕集粉抜き出し装置である。
【００１６】
本発明における高温火炎への原料分散の効果は、粒子の肥大化率を用いて評価することができる。肥大化率は、肥大化率＝（溶融球状化処理され捕集された球状シリカ質粉末の平均粒径）／（シリカ質粉末原料の平均粒径）により算出することができる。
【００１７】
この肥大化率は、シリカ質原料の合着結合が全くないときが１．０になり、粒子同士の合着結合が進行するとその進行度合に応じて漸増する。したがって、肥大化率１．０に近いほど良好な分散となるが、本発明によれば該値が１．３以下となり、条件を厳格にすれば１．２以下にすることもできる。この効果は、従来の燃料ガスと助燃ガスとの内部混合ガスをガス孔から噴射させて形成した高温火炎中に、無機質粉末原料を噴射する方法（以下、従来乾式噴射法と記載）の場合の該値が１．８、また複合管構造ノズルを用いるが外管からの噴射ガスに旋回を与えない場合の該値が１．６であったことと比較して、格別顕著である。
【００１８】
無機質粉末の平均粒径は、レーザー回折式粒度測定器（コールター社「モデルＬＳ−２３０」型）によって測定することができる。また、球形度は、走査型電子顕微鏡（日本電子社製「ＪＳＭ−Ｔ２００型」）と画像解析装置（日本アビオニクス社製）を用い、次のようにして測定することができる。
【００１９】
すなわち、粉末のＳＥＭ写真から粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の真円度はＡ／Ｂとして表示できる。そこで、試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定すると、ＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ²であるから、Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）² となり、個々の粒子の真円度は、真円度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）²として算出することができるので、２０００個の平均値として求められる。
【００２０】
球状無機質粉末がシリカであり、その用途が半導体封止樹脂用フィラーである場合、溶融率が９５％以上、特に９８％以上であることが好ましい。
【００２１】
溶融率は、粉末Ｘ線回折装置（例えば、ＲＩＧＡＫＵ社製「ＭｉｎｉＦｌｅｘ」）を用い、ＣｕＫα線の２θが２６°〜２７．５°の範囲において試料のＸ線回折分析を行い、特定回折ピークの強度比から測定することができる。すなわち、結晶シリカは２６．７°に主ピークが存在するが、非晶質シリカではこの位置には存在しない。非晶質シリカと結晶シリカが混在していると、それらの割合に応じた２６．７°のピーク高さが得られるので、結晶シリカ標準試料のＸ線強度に対する試料のＸ線強度の比から、結晶シリカ混在率（試料のＸ線強度／結晶シリカのＸ線強度）を算出し、式、溶融率（％）＝（１−結晶シリカ混在率）×１００、によって算出することができる。
【００２２】
【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。
【００２３】
実施例１〜４比較例３、４
図１に示される装置を用い、二重管構造からなるノズルの内管から、平均粒径５μmのシリカ質粉末を助燃ガス（酸素ガス）に搬送させ、外管からはプロパンガスを旋回させて噴射し、溶融球状化処理を行った。
【００２４】
その際、シリカ質粉末の噴射量はどの実験例においても３０ｋｇ／ｈとし、シリカ質粉末の搬送ガスの噴射速度（Ｖ）、旋回させるプロパンガスの噴射速度（Ｓ）を表１に示す条件に種々変更した。また、旋回はどの実験例においても時計回りに３０°であり、ノズル先端に風車を取り付けることによって行った。
【００２５】
比較例１
従来乾式噴射法である、プロパンガスと酸素との内部混合ガスをガス孔から噴射して形成された高温火炎中に、平均粒径５μｍのシリカ質粉末を酸素にて搬送、噴射し、溶融球状化処理を行った。プロパンガスの流量は実施例２と同じとし、火炎形成用の酸素はプロパン流量の３．３倍とした。
【００２６】
比較例２
プロパンガスに旋回を与えず、スリット状に流したこと以外は、実施例２と同様にして溶融球状化処理を行った。
【００２７】
捕集した球状シリカ質粉末については、平均粒径、溶融率、球形度を上記に従い測定し、また捕集された球状シリカ質粉末とシリカ質粉末原料の各々の平均粒径から肥大化率を算出した。それらの結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１から、以下のことが分かる。従来乾式噴射法の場合の肥大化率が１．７８（比較例１）、また複合管構造ノズルを用いるが外管からの噴射ガスに旋回を与えない場合のそれが１．６２（比較例２）であったのに対し、本発明の実施例は１．０に近い値であり、すこぶる分散の良好な状態でシリカ質原料を高温火炎中に噴射することができた。その結果、溶融率は１００％と完全に非晶質化され、球形度０．９５未満の粒子含有率も１５％未満と著しく減少させることができた。とくに、実施例１〜４と比較例３、４との対比から、Ｓ／Ｖを２．０〜３．３とした場合に本発明の効果が顕著となった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、高球形度の球状無機質粉末を生産性を高めて製造することができる。速度の適正化により、粒子肥大化を抑制しつつ、球形度の高い球状シリカ質粉末を容易に製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状シリカ質粉末の製造設備の一例を示す概略図
【符号の説明】
１原料フィーダー
２複合管構造ノズル
３高温火炎
４縦型炉体
５水冷ジャケット連絡管
６サイクロン
７バグフィルター
８ブロワー
９吸引ガス量制御バルブ
１０ガス排気口
１１捕集粉抜き出し装置

Claims

二重管構造ノズルの内管から、無機質粉末原料を乾燥状態で助燃ガスにて搬送させて炉内に噴射すると共に、外管からは、燃料ガス又は燃料ガスと助燃ガスの混合ガスを噴射し、高温火炎を形成させながら無機質粉末を球状化させ、それを捕集系に導いて球状無機質粉末を捕集する方法であって、上記外管から噴射させる燃料ガス又は燃料ガスと助燃ガスの混合ガスを、２．０≦Ｓ／Ｖ≦３．３｛（但し、Ｖ：内管のガス噴射速度（ｍ／ｓ）、Ｓ：外管のガス噴射速度（ｍ／ｓ）｝、の条件で、しかもノズル先端に取り付けられた風車により、接線方向及び法線方向のいずれも３０〜６０°の角度をつけ、旋回させて炉内に噴射することを特徴とする球状無機質粉末の製造方法。