JP7017362B2 - Spherical crystalline silica particles and their manufacturing method - Google Patents

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本発明は、球状結晶性シリカ粒子およびその製造方法、特に球状トリディマイト結晶粒子およびその製造方法に関係する。 The present invention relates to spherical crystalline silica particles and a method for producing the same, particularly spherical tridymite crystal particles and a method for producing the same.

シリカ粒子は樹脂用フィラーとして用いられており、例えば、半導体素子の封止材用のフィラーとして用いられている。シリカ粒子の形状について、角張った形状であると樹脂中での流動性、分散性、充填性が悪くなる。これらを改善するため、球状のシリカ粒子が広く用いられている。 Silica particles are used as fillers for resins, and are used, for example, as fillers for encapsulants for semiconductor devices. If the shape of the silica particles is angular, the fluidity, dispersibility, and filling property in the resin will deteriorate. In order to improve these, spherical silica particles are widely used.

一般的には、球状シリカの製法として溶射法が用いられている。溶射では、粒子を火炎などの高温領域中に通すことにより、粒子が溶融し、粒子の形状は表面張力により球状となる。溶融球状化された粒子は、粒子どうしが融着しないように気流搬送して回収されるが、溶射後の粒子は急冷される。溶融状態から急冷されるため、シリカは、ほとんど結晶を含有せず、非晶質(アモルファス)構造を有し、一般に石英ガラスと呼ばれるガラス状の粒子となる。 Generally, a thermal spraying method is used as a method for producing spherical silica. In thermal spraying, the particles are melted by passing them through a high temperature region such as a flame, and the shape of the particles becomes spherical due to surface tension. The melt-spheroidized particles are collected by airflow so that the particles do not fuse with each other, but the particles after thermal spraying are rapidly cooled. Since silica is rapidly cooled from the molten state, it contains almost no crystals, has an amorphous structure, and becomes glass-like particles generally called quartz glass.

球状シリカは非晶質であるため、その熱膨張率および熱伝導率が低い。これらの物性は、結晶構造を有さず非晶質(アモルファス)構造を有する、石英ガラスの熱膨張率と概ね同等と考えられ、熱膨張率は、0.5ppm/Kであり、熱伝導率は1.4W/mKである。 Since spherical silica is amorphous, its thermal expansion rate and thermal conductivity are low. These physical properties are considered to be substantially the same as the thermal expansion rate of quartz glass having an amorphous structure without a crystal structure, the thermal expansion rate is 0.5 ppm / K, and the thermal conductivity. Is 1.4 W / mK.

一般に封止材などで用いられる球状シリカ粒子は、非晶質であることから、熱膨張率が低いため、樹脂と混合した際に混合物(樹脂組成物)の熱膨張率を下げる効果がある。これにより樹脂組成物の熱膨張率を半導体素子に近づけることができ、樹脂組成物を封止材などに用いた際に、樹脂の硬化過程などの加熱、冷却時に生じる変形を抑制することができる。しかしながら、半導体は、薄型化、小型化が進んでいることから、変形を抑制するためには従来より精密な熱膨張率の制御が必要となってきている。
例えば、封止材などで、より高強度な樹脂組成物を得るためには、樹脂に混合するシリカ粒子の量を多くすることが必要であるが、樹脂に混合する非晶質のシリカ粒子の量を多くした場合、樹脂組成物の熱膨張率はより低くなる。このため、半導体のチップや基板よりも熱膨張率が低くなり過ぎてしまい、樹脂の硬化過程などの加熱時や冷却過程で変形を起こしてしまう問題が発生する。
Since spherical silica particles generally used as a sealing material are amorphous, they have a low thermal expansion rate, and therefore have an effect of lowering the thermal expansion rate of a mixture (resin composition) when mixed with a resin. As a result, the thermal expansion rate of the resin composition can be brought close to that of the semiconductor device, and when the resin composition is used as a sealing material, deformation that occurs during heating and cooling such as the curing process of the resin can be suppressed. .. However, since semiconductors are becoming thinner and smaller, it is necessary to control the thermal expansion rate more precisely than before in order to suppress deformation.
For example, in order to obtain a resin composition having higher strength with a sealing material or the like, it is necessary to increase the amount of silica particles mixed with the resin, but the amorphous silica particles mixed with the resin When the amount is increased, the thermal expansion rate of the resin composition becomes lower. For this reason, the thermal expansion rate becomes too low as compared with the semiconductor chips and substrates, and there arises a problem that deformation occurs during heating and cooling processes such as the curing process of the resin.

このような半導体部品と樹脂組成物の熱膨張率の差による変形を抑制するためには、樹脂組成物の熱膨張率を精密に制御する必要がある。樹脂組成物の熱膨張率を制御する手法としては、低熱膨張の非晶質シリカ粒子と熱膨張の高い粒子を混合し、その配合比を変えることにより熱膨張率を所望の値に調整する方法が有用である。非晶質のシリカ粒子と混合して用いる高熱膨張の粒子としては、結晶性のセラミックス粒子を用いることができるが、特にクリストバライトやトリディマイトなどの結晶性シリカ粒子を用いることで、より高い効果を得ることができる。これは、クリストバライトやトリディマイトが封止材の硬化処理温度やハンダリフローの熱処理温度の付近で相転移が起こり、相転移に伴って起こる熱膨張が大きいため、他の材料よりも少量の添加で高い効果を得ることが可能であると考えられる。一方、結晶性シリカである石英は、非晶質シリカよりは熱膨張係数は大きいものの、相転移に伴う大きな熱膨張が起こる温度が573℃と半導体のプロセス温度よりかなり高温であるため、クリストバライトやトリディマイトに比べて、半導体部品等の変形を抑える効果が少ない。 In order to suppress deformation due to the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor component and the resin composition, it is necessary to precisely control the thermal expansion coefficient of the resin composition. As a method of controlling the thermal expansion rate of the resin composition, a method of mixing low thermal expansion amorphous silica particles and high thermal expansion particles and adjusting the thermal expansion rate to a desired value by changing the mixing ratio thereof. Is useful. Crystalline ceramic particles can be used as the high thermal expansion particles used by mixing with amorphous silica particles, but a higher effect can be obtained by using crystalline silica particles such as cristobalite and tridimite. be able to. This is higher than other materials because cristobalite and tridimite undergo a phase transition near the curing treatment temperature of the encapsulant and the heat treatment temperature of the solder reflow, and the thermal expansion caused by the phase transition is large. It is considered possible to obtain the effect. On the other hand, quartz, which is crystalline silica, has a larger thermal expansion coefficient than amorphous silica, but the temperature at which large thermal expansion due to the phase transition occurs is 573 ° C, which is considerably higher than the process temperature of semiconductors. Compared to tridymite, it has less effect of suppressing deformation of semiconductor parts and the like.

結晶性シリカ粒子を得るための手段としては、特許文献1でアルミニウム、マグネシウム及びチタンから選ばれる金属を含有する有機金属化合物又は該有機金属化合物のゾルもしくはスラリーで非晶質シリカを表面処理した後、1,000~1,600℃で加熱処理して、結晶化する方法が開示されている。
また、特許文献2では、ケイ砂と炭酸ナトリウムから水ガラスを製造する際に得られる濾過残渣をアルカリおよび酸により処理し、中和することで微細な結晶質シリカを製造する技術が開示されている。
また、特許文献3でケイ砂、ケイ石、溶融シリカ等をアルカリ金属、アルカリ土類金属化物と混合して焼成する方法が開示されている。
また、球状の結晶性シリカ粒子を得るための手段として、特許文献4および特許文献5で、シリカゾルを分散させた分散相液を、該分散相液と相溶性のない連続相液に、細孔を通過させて注入することによりエマルジョンを作製し、該エマルジョンから分散相を分離してケーキとし、分離することにより得られたケーキを、C a 、Y 、L a およびE u からなる群より選ばれる1 種以上の元素を含む結晶化剤の共存下に、8 0 0 ℃ 以上1 3 0 0 ℃ 以下の温度範囲で保持して焼成する技術が開示されている。
As a means for obtaining crystalline silica particles, after surface-treating amorphous silica with an organic metal compound containing a metal selected from aluminum, magnesium and titanium in Patent Document 1, or a sol or slurry of the organic metal compound. , A method of heat-treating at 1,000 to 1,600 ° C. to crystallize is disclosed.
Further, Patent Document 2 discloses a technique for producing fine crystalline silica by treating a filtration residue obtained when producing water glass from silica sand and sodium carbonate with an alkali and an acid and neutralizing the mixture. There is.
Further, Patent Document 3 discloses a method of mixing silica sand, silica stone, molten silica and the like with an alkali metal and an alkaline earth metal product and firing them.
Further, as a means for obtaining spherical crystalline silica particles, in Patent Document 4 and Patent Document 5, the dispersed phase liquid in which the silica sol is dispersed is formed into a continuous phase liquid incompatible with the dispersed phase liquid, and pores are formed. An emulsion is prepared by injecting the liquid through the emulsion, the dispersed phase is separated from the emulsion to form a cake, and the cake obtained by the separation is selected from the group consisting of Ca, Y, La and Eu. Disclosed is a technique for holding and firing in a temperature range of 800 ° C. or higher and 130 ° C. or lower in the coexistence of a crystallization agent containing one or more of these elements.

特開2008-162849号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-162849 特開平6-247709号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-247709 特開2001-3034号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-3034 特開2005-231973号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-231973 特開2012-102016号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-102016

半導体製品では、薄型化、高細密化が進んでおり、半導体の封止材などに用いられるフィラーとして、高強度な樹脂組成物とするために、高い充填率が得られ、微細な隙間を充填するためには、高い流動性を有する封止材が必要であることから、球状粒子は必要不可欠である。更に、封止材などの熱膨張率を精密に制御するためには、従来の熱膨張率が小さい非晶質の球状シリカ粒子に加えて、熱膨張率が大きい結晶質の球状シリカ粒子を混合して用いることが必要となる。結晶質の球状シリカの中でも、半導体プロセス温度で大きな熱膨張が起こるトリディマイトやクリストバライトの球状粒子は有効と考えられる。
トリディマイトは、α-トリディマイトからβ1-トリディマイトの相転移が117℃、β1-トリディマイトからβ2-トリディマイトの相転移が163℃と、2段階の相転移が起こる。また、クリストバライトはα-クリストバライトからβ-クリストバライトへの1段階の相転移が200~275℃で起こる。これらの相転移は熱膨張を伴うが、クリストバライトは1段階の相転移で急激な熱膨張が起こるため、樹脂との界面の剥離などが起こりやすくなる。一方、トリディマイトは、2段階の相転移に伴って熱膨張が起こり、それぞれの相転移の際に生じる熱膨張は、クリストバライトの場合よりも小さく、比較的緩やかに起こる。このためトリディマイトの場合は、樹脂との界面での剥離等、急激な熱膨張に伴う問題が起こりにくく、更にクリストバライトより低温で熱膨張が起こるため、樹脂の硬化プロセスやハンダリフロープロセスの加熱、冷却過程での変形抑制のために、より大きな効果を得ることができる。そのため、トリディマイトの球状粒子は特に有用と考えられる。
Semiconductor products are becoming thinner and finer, and in order to obtain a high-strength resin composition as a filler used for semiconductor encapsulants, a high filling rate can be obtained and fine gaps can be filled. Spherical particles are indispensable because a sealing material having high fluidity is required for this purpose. Further, in order to precisely control the thermal expansion rate of the encapsulant or the like, in addition to the conventional amorphous spherical silica particles having a small thermal expansion rate, crystalline spherical silica particles having a large thermal expansion rate are mixed. It is necessary to use it. Among crystalline spherical silicas, tridymite and cristobalite spherical particles, which undergo large thermal expansion at the semiconductor process temperature, are considered to be effective.
In tridymite, a two-step phase transition occurs, with a phase transition from α-tridymite to β1-tridymite at 117 ° C and a phase transition from β1-tridymite to β2-tridymite at 163 ° C. In addition, cristobalite undergoes a one-step phase transition from α-cristobalite to β-cristobalite at 200-275 ° C. Although these phase transitions are accompanied by thermal expansion, cristobalite undergoes rapid thermal expansion in a one-step phase transition, so that the interface with the resin is likely to be peeled off. On the other hand, in tridymite, thermal expansion occurs with the two-step phase transition, and the thermal expansion generated at each phase transition is smaller than that in the case of cristobalite, and occurs relatively slowly. For this reason, in the case of tridymite, problems associated with rapid thermal expansion such as peeling at the interface with the resin are unlikely to occur, and since thermal expansion occurs at a lower temperature than cristobalite, heating and cooling of the resin curing process and solder reflow process A greater effect can be obtained due to the suppression of deformation in the process. Therefore, tridymite spherical particles are considered to be particularly useful.

球状結晶性シリカを得る方法としては、非晶質の球状シリカを高温で熱処理して、結晶化する方法が開示されている。しかしながら、高温での熱処理をする際に、シリカ粒子どうしが融着したり、焼結したりすることにより結合してしまうという問題がある。このため、強固に結合した粒子の固まりを粉砕して粒子を得るため、破砕状(不定形)の粒子しか得ることができない。また、シリカゾルなどを原料として用いて、液相で球状の粒子を作製、焼成する方法が開示されているが、生産性が低く、製造コストが高いという問題がある。 As a method for obtaining spherical crystalline silica, a method of heat-treating amorphous spherical silica at a high temperature to crystallize it is disclosed. However, when the heat treatment is performed at a high temperature, there is a problem that the silica particles are fused or sintered to be bonded to each other. Therefore, since the particles are obtained by crushing a mass of strongly bonded particles, only crushed (atypical) particles can be obtained. Further, a method of producing and calcining spherical particles in a liquid phase using silica sol or the like as a raw material has been disclosed, but there are problems that productivity is low and production cost is high.

特許文献1に、非晶質シリカをアルミニウム、マグネシウム及びチタンから選ばれる金属を含有する有機金属化合物又は該有機金属化合物のゾルもしくはスラリーで表面処理した後、1,000~1,600℃で加熱処理して、結晶化する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、結晶相としてクリストバライトしか析出させることができず、トリディマイトを含む結晶質のシリカを得ることができない。
特許文献2は、ケイ砂と炭酸ナトリウムとから水ガラスを製造する際に得られるろ過残渣をアルカリおよび酸により順次処理し、中和することにより、微細な結晶質シリカを製造する方法を提案している。この方法では、X線回折でα―石英、クリストバライトおよびトリディマイトが同定されているが、その比率については明示されておらず、特にトリディマイトを多く含有するシリカ粒子を製造することはできないと考えられる。また、この方法は、ケイ素と炭酸ナトリウムの混合物を融解、固化させたガラス状物(カレット)を水に溶解させた濾過する際、珪藻土等のろ過助剤とともに得られる濾過残渣を用いるので、カレットの溶解で生じる析出物が微細な不定形乃至鱗片状の固形物となり、この方法により球状の粒子を得ることはできない。
特許文献3は、ケイ砂、ケイ石、溶融シリカ等をアルカリ金属、アルカリ土類金属と混合して焼成する方法を提案している。この方法では、溶融石英粉末を炭酸ソーダと混合し1200℃で4時間焼成することでトリディマイトの結晶相の比率が100%のものが得られているが、その焼成物を粉砕し、粉砕焼成物を400メッシュ篩通過させ、研磨材を得ている。このことから、焼成後の処理物は粉砕が必要な固まった状態であり、この技術は、研磨材に用いる粒子を得るためのもので、研磨特性の高い、つまり角張った形状のものを得ることを目的としており、焼成して得られた焼成物を粉砕して研磨材を得るものである。このため、この技術ではトリディマイトが高含有量の球状粒子を得ることはできない。
According to Patent Document 1, amorphous silica is surface-treated with an organometallic compound containing a metal selected from aluminum, magnesium and titanium, or a sol or slurry of the organometallic compound, and then heated at 1,000 to 1,600 ° C. A method of processing and crystallizing is disclosed. However, with this method, only cristobalite can be precipitated as the crystalline phase, and crystalline silica containing tridymite cannot be obtained.
Patent Document 2 proposes a method for producing fine crystalline silica by sequentially treating a filtration residue obtained when producing water glass from silica sand and sodium carbonate with an alkali and an acid and neutralizing the mixture. ing. In this method, α-quartz, cristobalite and tridymite have been identified by X-ray diffraction, but their ratios have not been specified, and it is considered that silica particles containing a large amount of tridymite cannot be produced. In addition, this method uses a filtration residue obtained together with a filtration aid such as diatomaceous soil when filtering a glassy substance (cullet) obtained by dissolving and solidifying a mixture of silicon and sodium carbonate in water. The precipitates produced by the dissolution of the above form fine amorphous or scaly solids, and spherical particles cannot be obtained by this method.
Patent Document 3 proposes a method of mixing silica sand, silica stone, molten silica and the like with an alkali metal and an alkaline earth metal and firing them. In this method, molten quartz powder is mixed with sodium carbonate and fired at 1200 ° C. for 4 hours to obtain a tridimite crystal phase ratio of 100%. The fired product is crushed and crushed and fired. Is passed through a 400 mesh sieve to obtain an abrasive. From this, the processed product after firing is in a solid state that requires pulverization, and this technique is for obtaining particles used for an abrasive, and obtains a product having high polishing characteristics, that is, an angular shape. The purpose is to crush the fired product obtained by firing to obtain an abrasive. Therefore, it is not possible to obtain spherical particles with a high content of tridymite by this technique.

特許文献4および5は、シリカゾル分散液を細孔に通して球状のエマルジョンにした上で、分散相を分離してケーキとし、これにCa、Y、LaおよびEuの1種以上を含む結晶化剤の共存下で、熱処理して結晶質のシリカを得る方法を提案している。この方法は、エマルジョンを分離、乾燥する工程が加わるために、生産性は低く、高価なシリカゾルを原料として用いるため製造コストも高くなる。また、この方法により得られる結晶質のシリカは、結晶相がα石英とクリストバライトとからなり、α石英の割合が24~67%、クリストバライトの割合が76~33%の球状粒子を得ることはできるが、トリディマイトを含有する球状粒子を得ることはできない。 In Patent Documents 4 and 5, a silica sol dispersion liquid is passed through pores to form a spherical emulsion, and then the dispersed phase is separated into a cake, which is crystallized containing one or more of Ca, Y, La and Eu. We propose a method to obtain crystalline silica by heat treatment in the coexistence of an agent. In this method, since the steps of separating and drying the emulsion are added, the productivity is low, and since an expensive silica sol is used as a raw material, the production cost is also high. Further, the crystalline silica obtained by this method has a crystalline phase of α-quartz and cristobalite, and spherical particles having an α-quartz ratio of 24-67% and a cristobalite ratio of 76 to 33% can be obtained. However, it is not possible to obtain spherical particles containing tridymite.

このように従来開示されている技術では、トリディマイト結晶を多く含む結晶質の球状シリカ粒子を得ることができなかった。トリディマイトは熱膨張率が高く且つ相転移の際に比較的緩やかに熱膨張するので、トリディマイト結晶を多く含む球状シリカ粒子を得ることができれば、非晶質シリカ粒子と併せて樹脂と混合して封止材等に用いた場合に、封止工程やリフロー工程等の半導体製造過程での半導体の変形を抑制する効果が得られる。また、トリディマイトは、結晶であることから非晶質シリカに比べて、熱伝導率が高いため、半導体チップで発生した熱を効率良く逃がす効果も期待できる。 As described above, the conventionally disclosed technique has not been able to obtain crystalline spherical silica particles containing a large amount of tridymite crystals. Since tridymite has a high thermal expansion rate and expands relatively slowly during a phase transition, if spherical silica particles containing a large amount of tridymite crystals can be obtained, they are mixed with a resin together with amorphous silica particles and sealed. When used as a stopping material, the effect of suppressing deformation of semiconductors in a semiconductor manufacturing process such as a sealing process or a reflow process can be obtained. Further, since tridymite is a crystal and has a higher thermal conductivity than amorphous silica, it can be expected to have an effect of efficiently dissipating heat generated by a semiconductor chip.

本発明は、高熱膨張率を有するトリディマイト結晶を多く含み、高流動性、高分散性、高充填性を備えるために球状の形状を有し、半導体分野にも適用可能な、球状結晶性シリカ粒子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention contains a large amount of tridymite crystals having a high thermal expansion rate, has a spherical shape in order to have high fluidity, high dispersibility, and high filling property, and is applicable to the semiconductor field as spherical crystalline silica particles. And its manufacturing method.

発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、「Na化合物を原料に所定割合添加して製造することで、結晶相が全体の90質量%以上であり、トリディマイト結晶が全体の50質量%以上である球状結晶性シリカ粒子」を製造することができることを見出し、これによって、従来よりも生産性が高く、製造コストが低く、且つ高熱膨張率のトリディマイトを多く含む、高熱伝導率、高流動性、高分散性、高充填性を有し、半導体分野にも適用可能な、球状結晶性シリカ粒子を実現できることを見出した。これによって発明を為すに至った。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the inventor stated, "By adding a predetermined ratio of Na compound to the raw material, the crystal phase is 90% by mass or more of the whole, and the tridimite crystal is the whole. It was found that "spherical crystalline silica particles having an amount of 50% by mass or more of the above" can be produced, whereby the productivity is higher than before, the production cost is lower, and a large amount of tridimite having a high thermal expansion rate is contained. It has been found that spherical crystalline silica particles having high rate, high fluidity, high dispersibility, and high filling property and applicable to the semiconductor field can be realized. This led to the invention.

本発明の要旨は以下の通りである。
[1]
結晶相が全体の90質量%以上であり、トリディマイト結晶が全体の50質量%以上であることを特徴とする、球状結晶性シリカ粒子。
[2]
粒子全体に対して、Naを酸化物換算で1~10質量%含むことを特徴とする、[1]に記載の球状結晶性シリカ粒子。
[3]
粒子全体に対して、Alの含有量がAl2O3換算で50~1000ppmであることを特徴とする、[2]に記載の球状結晶性シリカ粒子。
[4]
平均粒径(D50)が、1~100μmであることを特徴とする、[1]~[3]のいずれか1項に記載の球状結晶性シリカ粒子。
[5]
平均円形度が、0.85以上であることを特徴とする、[1]~[4]のいずれか1項に記載の球状結晶性シリカ粒子。
[6]
非晶質の球状シリカ粒子に、非晶質の球状シリカ粒子の重量とNaの化合物の酸化物換算の重量の合計に対し酸化物換算で1~10質量%のNaの化合物を混合し、
混合された球状シリカ粒子を800~1200℃で熱処理し、
熱処理された球状シリカ粒子を冷却する工程を含み、
冷却された球状シリカ粒子が、90質量%以上の結晶相を有し、かつトリディマイト結晶が全体の50質量%以上であることを特徴とする、球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。
[7]
Naの化合物と混合する非晶質の球状シリカ粒子のAlの含有量がAl2O3換算で50~1000ppmであることを特徴とする、[6]に記載の球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。
[8]
球状結晶性シリカ粒子の平均粒径(D50)が、1~100μmとなるように製造することを特徴とする、[6]~[7]のいずれか1項に記載の球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。
[9]
球状結晶性シリカ粒子の平均円形度が、0.85以上となるように製造することを特徴とする、[6]~[8]のいずれか1項に記載の球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。
The gist of the present invention is as follows.
[1]
Spherical crystalline silica particles, characterized in that the crystal phase is 90% by mass or more of the whole and the tridymite crystal is 50% by mass or more of the whole.
[2]
The spherical crystalline silica particles according to [1], which contains 1 to 10% by mass of Na in terms of oxide with respect to the entire particles.
[3]
The spherical crystalline silica particles according to [2], wherein the Al content is 50 to 1000 ppm in terms of Al2O3 with respect to the entire particles.
[4]
The spherical crystalline silica particle according to any one of [1] to [3], wherein the average particle size (D50) is 1 to 100 μm.
[5]
The spherical crystalline silica particle according to any one of [1] to [4], which has an average circularity of 0.85 or more.
[6]
The amorphous spherical silica particles are mixed with 1 to 10% by mass of the Na compound in terms of oxide with respect to the total of the weight of the amorphous spherical silica particles and the weight of the Na compound in terms of oxide.
The mixed spherical silica particles are heat-treated at 800 to 1200 ° C.
Including the step of cooling the heat-treated spherical silica particles,
A method for producing spherical crystalline silica particles, wherein the cooled spherical silica particles have a crystal phase of 90% by mass or more, and tridimite crystals are 50% by mass or more of the whole.
[7]
The method for producing spherical crystalline silica particles according to [6], wherein the content of Al of the amorphous spherical silica particles mixed with the Na compound is 50 to 1000 ppm in terms of Al2O3.
[8]
The spherical crystalline silica particles according to any one of [6] to [7], which are produced so that the average particle size (D50) of the spherical crystalline silica particles is 1 to 100 μm. How to make.
[9]
The spherical crystalline silica particles according to any one of [6] to [8], which are produced so that the average circularity of the spherical crystalline silica particles is 0.85 or more. Method.

本発明によれば、高熱膨張率のトリディマイトを多く含み、高熱伝導率、高流動性、高分散性、高充填性のため球状の形状を有し、半導体分野にも適用可能な、球状結晶性シリカ粒子およびその製造方法が提供される。
According to the present invention, it contains a large amount of tridymite having a high thermal expansion rate, has a spherical shape due to high thermal conductivity, high fluidity, high dispersibility, and high filling property, and has spherical crystallinity that can be applied to the semiconductor field. Silica particles and a method for producing the same are provided.

本発明のシリカ粒子は、結晶相を90質量%以上含む。非晶質シリカの熱伝導率は1.4W/mKと低いため、非晶質のシリカを10質量%より多く含むとシリカ粒子の熱伝導率を低下させてしまう。また、結晶相はトリディマイト結晶が非晶質を含む粒子全体の50質量%以上である。トリディマイト結晶以外の結晶相としては、クリストバライトおよび石英を含んでも良い。いずれの結晶も、非晶質のシリカより高い熱膨張率を有する。粒子全体の90質量%以上が結晶相で、粒子全体の50質量%以上がトリディマイト結晶であれば目的とする高熱伝導率の球状シリカ粒子を得ることができる。また、クリストバライトや石英の含有量が50質量%より多くなると、トリディマイトがαトリディマイト→β1トリディマイト→β2トリディマイトへ相転移に伴う体積膨張による、高熱膨張化の十分な効果が得られなくなる。このため、トリディマイト結晶を全体の50質量%以上にして、クリストバライトや石英および非晶質の含有量を少なくすることが重要である。
結晶相と非晶質の含有量およびトリディマイト、クリストバライト、石英の含有量は、X線回折により定量分析することができる。X線回折による定量分析では、リートベルト法などの解析方法を用いることにより、標準試料を用いずに定量分析することが可能である。
The silica particles of the present invention contain 90% by mass or more of a crystal phase. Since the thermal conductivity of amorphous silica is as low as 1.4 W / mK, if amorphous silica is contained in an amount of more than 10% by mass, the thermal conductivity of the silica particles is lowered. Further, the crystal phase is 50% by mass or more of the whole particles containing amorphous tridymite crystals. Crystal phases other than tridymite crystals may include cristobalite and quartz. Both crystals have a higher thermal expansion rate than amorphous silica. If 90% by mass or more of the whole particles are crystal phases and 50% by mass or more of all the particles are tridymite crystals, the desired high thermal conductivity spherical silica particles can be obtained. Further, when the content of tridymite or quartz is more than 50% by mass, the sufficient effect of high thermal expansion due to the volume expansion accompanying the phase transition of tridymite from α tridymite → β1 tridymite → β2 tridymite cannot be obtained. Therefore, it is important to increase the content of tridymite crystals to 50% by mass or more and reduce the content of cristobalite, quartz and amorphous.
The crystalline phase and amorphous content and the tridymite, cristobalite and quartz contents can be quantitatively analyzed by X-ray diffraction. In the quantitative analysis by X-ray diffraction, it is possible to perform the quantitative analysis without using a standard sample by using an analysis method such as the Rietveld method.

本発明のシリカ粒子は、酸化物換算でNaの化合物を1~10質量%を含んでもよい。
特定の理論に拘束されるものではないが、Naは、熱処理の際に非晶質のシリカのネットワーク構造の内部に侵入し、結晶構造を安定化することが考えられる。トリディマイトは、いくつかの種類があるシリカの結晶の中でも密度が低く、これは結晶構造の内部に大きな空間を有するためである。シリカの状態図では、トリディマイトは、867~1470℃で生成するとされているが、その温度域で熱処理して冷却してもトリディマイトの結晶を得ることは困難である。これは、トリディマイト結晶が結晶内部に大きな空隙を有するため、結晶構造が安定ではなく、熱処理ないしは冷却過程でクリストバライトなどの他の結晶に変化してしまうためと考えられる。
トリディマイト結晶中の空隙は、170pm程度のサイズであるが、このような大きな空隙部分を有する構造を安定化する方法としては、空隙部分に元素を導入することが有効と考えられる。非晶質のシリカのネットワーク構造内に入る元素としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属が考えられる。しかしながら、トリディマイト結晶の空隙が大きいため、構造を安定化させる元素も大きなイオン半径を有する元素が望ましい。特にNaは、イオン半径が116pmと大きいため、トリディマイトの結晶構造安定化する元素として非常に有効である。なお、同族のアルカリ金属であるLiはイオン半径が小さくトリディマイトの結晶構造を安定化する効果が十分に得られない。また、同族のアルカリ金属であるK、Rb、Cs、Frは、イオン半径が大きすぎてトリディマイトの結晶構造を安定化する効果が十分に得られない。
The silica particles of the present invention may contain 1 to 10% by mass of a compound of Na in terms of oxide.
Without being bound by a specific theory, it is conceivable that Na invades the inside of the amorphous silica network structure during heat treatment and stabilizes the crystal structure. Tridymite has the lowest density among several types of silica crystals, because it has a large space inside the crystal structure. In the phase diagram of silica, tridymite is said to be produced at 867 to 1470 ° C., but it is difficult to obtain crystals of tridymite even if it is heat-treated and cooled in that temperature range. It is considered that this is because the tridymite crystal has a large void inside the crystal, so that the crystal structure is not stable and changes to other crystals such as cristobalite during the heat treatment or cooling process.
The voids in the tridymite crystal have a size of about 170 pm, and it is considered effective to introduce an element into the void portion as a method for stabilizing the structure having such a large void portion. Alkali metals and alkaline earth metals can be considered as elements that enter the network structure of amorphous silica. However, since the voids of tridymite crystals are large, it is desirable that the element that stabilizes the structure also has a large ionic radius. In particular, Na has a large ionic radius of 116 pm and is therefore very effective as an element for stabilizing the crystal structure of tridymite. Li, which is an alkali metal of the same family, has a small ionic radius and cannot sufficiently obtain the effect of stabilizing the crystal structure of tridimite. Further, K, Rb, Cs, and Fr, which are alkali metals of the same family, have too large an ionic radius, and the effect of stabilizing the crystal structure of tridymite cannot be sufficiently obtained.

Naの含有量は、1質量%以上であることが望ましい。Naの含有量が1質量%より少ない場合、トリディマイトの結晶構造を安定化させるのに十分ではないため、他の結晶が多く生成してしまい、目的とする高いトリディマイト含有量のシリカ粒子を得ることが困難である。また、Naの含有量は、10質量%以下であることが望ましい。Naの含有量が10質量%より多い場合、樹脂と混合して用いる場合に樹脂の硬化阻害を起こすことがあったり、配線等の金属の腐食の原因となったりすることがある。 The Na content is preferably 1% by mass or more. When the Na content is less than 1% by mass, it is not sufficient to stabilize the crystal structure of tridymite, so that many other crystals are generated, and silica particles having a high tridymite content of interest can be obtained. Is difficult. The Na content is preferably 10% by mass or less. If the Na content is more than 10% by mass, the resin may be hindered from curing when mixed with the resin, or it may cause corrosion of metals such as wiring.

また、アルカリ金属は、シリカの融点を低下させる効果も知られており、例えばシリカガラスの融点降下剤としても利用されている。特にNaは、ソーダガラスに用いられるようにSiO2系のガラスを低融点化するために用いられている。このため、アルカリ金属の含有量が多くなると、シリカ粒子の融点が著しく低下し、非晶質のシリカ粒子の結晶化に必要な熱処理で、シリカ粒子どうしが融着または焼結により結合しやすくなる。粒子どうしの結合が進むと、球状の粒子が得られにくくなるため、半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、流動性、分散性、充填性が十分でなくなる。 Alkali metals are also known to have the effect of lowering the melting point of silica, and are also used, for example, as a melting point lowering agent for silica glass. In particular, Na is used to lower the melting point of SiO2-based glass as used for soda glass. Therefore, when the content of the alkali metal is increased, the melting point of the silica particles is remarkably lowered, and the silica particles are easily bonded to each other by fusion or sintering in the heat treatment required for crystallization of the amorphous silica particles. .. As the bonding between the particles progresses, it becomes difficult to obtain spherical particles, so that the fluidity, dispersibility, and filling property become insufficient when used as a filler for a semiconductor encapsulant or the like.

また、Naを添加してトリディマイト粒子を得る場合、金属アルミニウム換算で50~1000ppmのアルミニウムを含むことが望ましい。特定の理論に拘束されるものではないが、アルミニウムは熱処理の際に結晶核形成剤として作用し、アルカリ金属、特にNaとともに用いた場合にトリディマイト結晶を多く生成する効果を得ることができる。更にアルミニウムを含有することにより、結晶化が低温の熱処理で起こりやすくなるため、シリカ粒子どうしが融着または焼結を起こしにくい低い温度での熱処理でトリディマイト粒子を得ることができる、アルミニウムが金属アルミニウム換算で50ppmより少ない場合、結晶化を促進する効果を得ることができない。また、アルミニウムが金属アルミニウム換算で1000ppmより多くなると、クリストバライトが生成し易くなり、トリディマイト結晶の生成量が少なくなってしまう。このため、アルミニウムが金属アルミニウム換算で50~1000ppmの範囲であることがより望ましい。 Further, when Na is added to obtain tridymite particles, it is desirable to contain 50 to 1000 ppm of aluminum in terms of metallic aluminum. Although not bound by a specific theory, aluminum acts as a crystal nucleation agent during heat treatment, and when used in combination with an alkali metal, particularly Na, can obtain the effect of producing a large amount of tridimite crystals. Further, since crystallization is likely to occur by low-temperature heat treatment due to the inclusion of aluminum, tridimite particles can be obtained by heat treatment at a low temperature at which silica particles are unlikely to fuse or sinter. Aluminum is metallic aluminum. If it is less than 50 ppm in terms of conversion, the effect of promoting crystallization cannot be obtained. Further, when the amount of aluminum exceeds 1000 ppm in terms of metallic aluminum, cristobalite is likely to be produced, and the amount of tridymite crystals produced is reduced. Therefore, it is more desirable that aluminum is in the range of 50 to 1000 ppm in terms of metallic aluminum.

本発明のシリカ粒子は、平均粒径(D50)が1~100μmであってもよい。平均粒径が100μmを超えると、半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、粒径が粗くなりすぎてゲートづまりや金型摩耗を引き起こしやすくなることがあり、平均粒径が1μm未満では粒子が細かくなりすぎて多量に充填することができなくなることがある。なお、ここでの平均粒径は、例えばレーザー回折法による粒度分布測定等により求めることができる。
ここで言う平均粒径は、メディアン径と呼ばれるもので、レーザー回折法等の方法で粒径分布を測定して、粒径の頻度の累積が50%となる粒径を平均粒径(D50)とする。
The silica particles of the present invention may have an average particle size (D50) of 1 to 100 μm. If the average particle size exceeds 100 μm, when used as a filler for semiconductor encapsulants, the particle size may become too coarse and cause gate clogging or mold wear, and the average particle size is less than 1 μm. Then, the particles may become too fine to be filled in a large amount. The average particle size here can be obtained, for example, by measuring the particle size distribution by a laser diffraction method or the like.
The average particle size referred to here is called the median diameter, and the particle size is measured by a method such as a laser diffraction method, and the particle size at which the cumulative frequency of the particle size is 50% is the average particle size (D50). And.

上記の粒径範囲にするためには、原料の非晶質の球状シリカ粒子(結晶化する前の粒子)の粒径を調節することで可能である。これは、本発明のシリカ粒子の平均粒径は、結晶化のための加熱処理の前後で、ほとんど変化をしないためである。通常の非晶質のシリカ粒子は、結晶化に1300℃以上の高温が必要であるため、粒子が軟化し、融着または焼結により結合することがあるが、本発明のシリカ粒子は、800~1200℃の比較的低温で結晶化し、融着または焼結により粒子どうしの結合を比較的抑えることが可能である。特に、粒子どうしの融着または焼結による結合は、粒子の表面積比が大きいほど、つまり粒径が小さいほど生じやすい。ただし、本発明のシリカ粒子は、比較的低温(800~1200℃)で結晶質になるため、平均粒径が1μmであっても、融着または焼結による結合をすることが十分に抑えられ、凝集しにくい。したがって、本発明のシリカ粒子は、半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、流動性、分散性、充填性が高くすることができる。 It is possible to adjust the particle size of the raw material amorphous spherical silica particles (particles before crystallization) to the above particle size range. This is because the average particle size of the silica particles of the present invention hardly changes before and after the heat treatment for crystallization. Since ordinary amorphous silica particles require a high temperature of 1300 ° C. or higher for crystallization, the particles may be softened and bonded by fusion or sintering, but the silica particles of the present invention are 800. It can be crystallized at a relatively low temperature of about 1200 ° C., and the bonding between particles can be relatively suppressed by fusion or sintering. In particular, bonding by fusion or sintering of particles is more likely to occur as the surface area ratio of the particles is larger, that is, the smaller the particle size. However, since the silica particles of the present invention become crystalline at a relatively low temperature (800 to 1200 ° C.), even if the average particle size is 1 μm, bonding by fusion or sintering is sufficiently suppressed. , Hard to aggregate. Therefore, the silica particles of the present invention can have high fluidity, dispersibility, and filling property when used as a filler for a semiconductor encapsulant or the like.

本発明のシリカ粒子は、球状である。球状にするための手段は特に制限されるものではなく、粉砕、研磨等の手段を用いてもよい。特に、球状の非晶質シリカ粒子を結晶化することにより、生産性が高く、低コストで球状の結晶質シリカ粒子を得ることができる。この場合、溶射法による球状非晶質シリカ粒子を用いることができる。溶射による非晶質の球状シリカ粒子では、溶射の原料に用いるシリカ粉末の粒径によって得られる球状シリカ粒子の粒径を変えられるため、これを結晶化することにより所望の粒径の球状の結晶質シリカ粒子を得ることができる。球状の結晶質シリカ粒子は、半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、流動性、分散性、充填性が高く、また封止材作製用機器の摩耗も抑えることができる。 The silica particles of the present invention are spherical. The means for forming the sphere is not particularly limited, and means such as pulverization and polishing may be used. In particular, by crystallizing spherical amorphous silica particles, spherical crystalline silica particles can be obtained with high productivity and low cost. In this case, spherical amorphous silica particles produced by the thermal spraying method can be used. In the case of amorphous spherical silica particles by spraying, the particle size of the spherical silica particles obtained can be changed by the particle size of the silica powder used as the raw material for spraying. Therefore, by crystallizing this, spherical crystals having a desired particle size can be obtained. Quality silica particles can be obtained. When the spherical crystalline silica particles are used as a filler for a semiconductor encapsulant, they have high fluidity, dispersibility, and filling property, and can suppress wear of the encapsulant manufacturing equipment.

本発明のシリカ粒子は、平均円形度が0.85以上であってもよく、好ましくは0.86以上であってもよい。円形度は、市販のフロー式粒子像分析装置により測定することができる。また、走査型電子顕微鏡(SEM)等の顕微鏡写真から画像解析処理ソフトウェアを用いて次のように求めることができる。シリカ粒子のサンプルの写真を撮影し、シリカ粒子(二次元投影図)の面積、周囲長さを計測する。シリカ粒子が真円であると仮定し、計測された面積を有する真円の円周を計算する。円形度=円周/周囲長さの式により、円形度を求める。円形度=1のときが、真円である。つまり、円形度が1に近いほど、真円に近いとされる。平均円形度は、100個以上の粒子について測定した円形度の平均値として算出する。平均円形度が0.85未満であると、半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、流動性、分散性、充填性が十分でなく、また封止材作製用機器の摩耗が促進される場合がある。
円形度の上限は1.0であってもよいが、実際に円形度を1.0にするのは実質的に困難であり、実現しようとする場合、製造コスト、管理コストが高くなる。用途等に応じて、円形度の上限を0.98、好ましくは0.95にしてもよい。
The silica particles of the present invention may have an average circularity of 0.85 or more, preferably 0.86 or more. The circularity can be measured by a commercially available flow-type particle image analyzer. Further, it can be obtained from a micrograph such as a scanning electron microscope (SEM) by using image analysis processing software as follows. Take a picture of a sample of silica particles and measure the area and perimeter of the silica particles (two-dimensional projection). Assuming that the silica particles are a perfect circle, calculate the circumference of the perfect circle with the measured area. The circularity is calculated by the formula of circularity = circumference / circumference length. A perfect circle is when the circularity is 1. That is, the closer the circularity is to 1, the closer to a perfect circle. The average circularity is calculated as the average value of the circularity measured for 100 or more particles. If the average circularity is less than 0.85, the fluidity, dispersibility, and filling property are not sufficient when used as a filler for a semiconductor encapsulant, and the wear of the encapsulant manufacturing equipment is accelerated. May be done.
The upper limit of the circularity may be 1.0, but it is practically difficult to actually make the circularity 1.0, and if it is to be realized, the manufacturing cost and the management cost will be high. The upper limit of the circularity may be 0.98, preferably 0.95, depending on the intended use.

上記の平均円形度にするためには、非晶質の球状シリカ粒子(結晶化する前の粒子)の円形度を調節することで可能となる。溶射手段であれば、シリカ粉末を容易に円形度の高い粒子にすることができる。そして、本発明のシリカ粒子の平均円形度は、結晶化のための加熱処理の前後で、ほとんど低下しない。本発明のシリカ粒子は、比較的低温(800~1200℃)で結晶質にされており、この温度範囲では円形度がほとんど低下しないためである。つまり、通常の非晶質のシリカ粒子を結晶化する場合、1300℃以上の高温が必要となるため、粒子どうしが融着または焼結により結合することがあり、粒子どうしが結合すると円形度が低下する。しかしながら、本発明のシリカ粒子は、比較的低温(800~1200℃)で結晶質になるため、融着または焼結により結合することが十分に抑えられるために、平均円形度がほとんど低下しない。したがって、本発明のシリカ粒子は、半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、流動性、分散性、充填性が高くすることができる。 The above average circularity can be achieved by adjusting the circularity of the amorphous spherical silica particles (particles before crystallization). If it is a thermal spraying means, the silica powder can be easily made into particles having a high circularity. The average circularity of the silica particles of the present invention hardly decreases before and after the heat treatment for crystallization. This is because the silica particles of the present invention are crystallized at a relatively low temperature (800 to 1200 ° C.), and the circularity hardly decreases in this temperature range. That is, when crystallizing ordinary amorphous silica particles, a high temperature of 1300 ° C. or higher is required, so that the particles may be bonded to each other by fusion or sintering, and when the particles are bonded to each other, the circularity is increased. descend. However, since the silica particles of the present invention become crystalline at a relatively low temperature (800 to 1200 ° C.), they are sufficiently suppressed from being bonded by fusion or sintering, so that the average circularity is hardly reduced. Therefore, the silica particles of the present invention can have high fluidity, dispersibility, and filling property when used as a filler for a semiconductor encapsulant or the like.

本発明の製造方法について、以下に詳細を説明する。本発明の球状結晶性シリカ粒子は、以下の工程を含む方法で製造することができる。すなわち、本発明の製造方法は、
非晶質の球状シリカ粒子を酸化物換算で1~10質量%のNaの化合物と混合し、
混合された球状シリカ粒子を800~1200℃で熱処理し、
熱処理された球状シリカ粒子を冷却する工程を含む。そして、この方法によって製造された球状結晶性シリカ粒子は、90質量%以上の結晶相を有し、かつトリディマイト結晶が全体の50質量%以上である。
球状シリカ粒子は、アルミナ等のシリカ粒子と反応しない容器に入れて熱処理を行うことが望ましい。熱処理は、例えば、電気炉、ガス炉などを用いて、所定の温度に加熱して行う。冷却は、冷却速度を制御しながら行うことが望ましい。
The manufacturing method of the present invention will be described in detail below. The spherical crystalline silica particles of the present invention can be produced by a method including the following steps. That is, the manufacturing method of the present invention is
Amorphous spherical silica particles are mixed with a compound of 1 to 10% by mass of Na in terms of oxide, and the mixture is mixed.
The mixed spherical silica particles are heat-treated at 800 to 1200 ° C.
The step of cooling the heat-treated spherical silica particles is included. The spherical crystalline silica particles produced by this method have a crystal phase of 90% by mass or more, and tridymite crystals are 50% by mass or more of the whole.
It is desirable that the spherical silica particles are placed in a container that does not react with silica particles such as alumina and heat-treated. The heat treatment is performed by heating to a predetermined temperature using, for example, an electric furnace, a gas furnace, or the like. It is desirable to perform cooling while controlling the cooling rate.

原料である非晶質の球状シリカ粒子は溶射法などの方法により作製することができる。例えば溶射法では、粉砕して所望の粒径に調製したシリカ粉末を火炎中に通すことにより、粒子が溶融し、粒子の形状は表面張力により球状となる。 Amorphous spherical silica particles as a raw material can be produced by a method such as a thermal spraying method. For example, in the thermal spraying method, silica powder prepared by crushing to a desired particle size is passed through a flame to melt the particles, and the shape of the particles becomes spherical due to surface tension.

また、溶射前のシリカ粉末に酸化物換算で50~1000ppmのアルミニウムを含むように、シリカ粉末を調製してもよい。特定の理論に拘束されるものではないが、アルミニウムは熱処理の際に結晶核形成剤として作用することが考えられる。溶射工程(溶融)を通じて、アルミニウムがシリカ粒子中に均一に分散する。アルミニウムは、続く熱処理工程の際に結晶核形成剤として作用することが考えられ、シリカ粒子中に均一に分散していることにより、均等且つ従来よりも低い温度と短い時間での結晶成長が実現される。
また、アルミニウムが酸化したアルミナはシリカ粒子の化学耐久性(耐酸性など)を高める効果も期待できる。アルミニウムの含有量が50ppm未満では、結晶化促進効果や化学耐久性向上効果が十分でないことがある。一方でアルミニウムまたはアルミナは、非晶質シリカを結晶化させる際にクリストバライトを生成しやすくする。そのため、アルミニウムの含有量が1000ppmを超えると、クリストバライトが優先的に生成し、トリディマイトが生成しにくくなる。
アルミニウムの含有量は、例えば原子吸光法、ICP質量分析(ICP-MS)により測定することができる。
Further, the silica powder may be prepared so that the silica powder before thermal spraying contains 50 to 1000 ppm of aluminum in terms of oxide. Without being bound by a particular theory, aluminum may act as a crystal nucleating agent during heat treatment. Through the thermal spraying step (melting), aluminum is uniformly dispersed in the silica particles. Aluminum is considered to act as a crystal nucleation agent during the subsequent heat treatment process, and by being uniformly dispersed in the silica particles, crystal growth can be achieved evenly and at a lower temperature and in a shorter time than before. Will be done.
In addition, alumina obtained by oxidizing aluminum can be expected to have the effect of increasing the chemical durability (acid resistance, etc.) of the silica particles. If the aluminum content is less than 50 ppm, the crystallization promoting effect and the chemical durability improving effect may not be sufficient. On the other hand, aluminum or alumina facilitates the formation of cristobalite when crystallizing amorphous silica. Therefore, when the aluminum content exceeds 1000 ppm, cristobalite is preferentially produced, and tridymite is less likely to be produced.
The aluminum content can be measured, for example, by atomic absorption spectrometry, ICP mass spectrometry (ICP-MS).

溶融球状化された粒子どうしが融着しないように、溶射後の粒子は急冷処理してもよい。その場合、溶融状態から急冷されるため、球状シリカ粒子は、結晶構造を有さず、非晶質(アモルファス)構造を有している。球状シリカ粒子は溶射されているため、非多孔質であってもよい。非多孔質の球状シリカ粒子は、緻密であり、熱伝導率が高くなると期待される。 The particles after thermal spraying may be quenched so that the molten spheroidized particles do not fuse with each other. In that case, since the spherical silica particles are rapidly cooled from the molten state, the spherical silica particles do not have a crystal structure but have an amorphous structure. Since the spherical silica particles are sprayed, they may be non-porous. The non-porous spherical silica particles are expected to be dense and have high thermal conductivity.

溶射して得られた球状シリカ粒子は、平均粒径(D50)が1~100μmであってもよい。続く結晶化のための加熱、冷却工程は最大温度が1200℃程度であるため、球状シリカ粒子の粒径はほとんど変化をしない。そして、溶射手段であれば、容易に粒径を調節することができる。このため、本発明の方法では、所望の平均粒径の球状結晶性シリカ粒子を容易に実現できる。 The spherical silica particles obtained by thermal spraying may have an average particle size (D50) of 1 to 100 μm. Since the maximum temperature of the subsequent heating and cooling steps for crystallization is about 1200 ° C., the particle size of the spherical silica particles hardly changes. Then, if it is a thermal spraying means, the particle size can be easily adjusted. Therefore, in the method of the present invention, spherical crystalline silica particles having a desired average particle size can be easily realized.

溶射して得られた球状シリカ粒子は、平均円形度が0.85以上であってもよい。続く結晶化のための加熱、冷却工程は最大温度が1200℃程度であるため、球状シリカ粒子の円形度はほとんど変化をしない。そして、溶射手段であれば、容易に平均円形度の高い粒子を得ることができる。このため、本発明の方法では、所望する円形度の高い球状結晶性シリカ粒子を容易に実現できる。 The spherical silica particles obtained by thermal spraying may have an average circularity of 0.85 or more. Since the maximum temperature of the subsequent heating and cooling steps for crystallization is about 1200 ° C., the circularity of the spherical silica particles hardly changes. Then, if it is a thermal spraying means, particles having a high average circularity can be easily obtained. Therefore, in the method of the present invention, the desired spherical crystalline silica particles having a high degree of circularity can be easily realized.

非晶質の球状シリカ粒子を酸化物換算で1~10質量%のNaの化合物と混合したものを熱処理し、熱処理された球状シリカ粒子を冷却して、球状結晶性シリカ粒子を得ることができる。 Amorphous spherical silica particles mixed with a compound of 1 to 10% by mass of Na in terms of oxide are heat-treated, and the heat-treated spherical silica particles are cooled to obtain spherical crystalline silica particles. ..

非晶質の球状シリカ粒子と混合するNaの化合物は、酸化物、炭酸化物、水酸化物、硝酸化物など、添加する際の形態は特に制限されない。非晶質の球状シリカ粒子と均一に混合されるものであれば、粉末や水溶液等の状態で添加することができる。 The Na compound mixed with the amorphous spherical silica particles is not particularly limited in the form when added, such as an oxide, a carbonic acid oxide, a hydroxide, and a glass oxide. As long as it is uniformly mixed with amorphous spherical silica particles, it can be added in the form of powder, aqueous solution or the like.

非晶質の球状シリカ粒子とNaの化合物と混合したものの熱処理は、非晶質球状シリカの粒径や添加するNa化合物の添加量により、結晶化および球状の保持に好適な条件で行う。熱処理温度は例えば800~1200℃の範囲で選択することができる。また、保持時間も例えば1~48時間の範囲で実施することができる。また、昇温および冷却の速度は、例えば100~300℃/時の範囲で実施することができる。 The heat treatment of the mixture of the amorphous spherical silica particles and the Na compound is performed under conditions suitable for crystallization and retention of the spheres, depending on the particle size of the amorphous spherical silica and the amount of the Na compound added. The heat treatment temperature can be selected, for example, in the range of 800 to 1200 ° C. Further, the holding time can also be carried out in the range of, for example, 1 to 48 hours. Further, the rate of temperature rise and cooling can be carried out in the range of, for example, 100 to 300 ° C./hour.

熱処理した結晶性シリカ粒子が凝集している場合、ジェットミルなどの解砕方法を用いることにより、凝集をほどき、球状の結晶性シリカ粒子を得ることができる。 When the heat-treated crystalline silica particles are agglomerated, the agglomeration can be unwound by using a crushing method such as a jet mill, and spherical crystalline silica particles can be obtained.

冷却された球状結晶性シリカ粒子は、90質量%以上の結晶相を有する。また、トリディマイト結晶を全体の50質量%以上含有する。この結晶性シリカ粒子は、非晶質のシリカよりも、高い熱膨張率を有する。シリカ粒子を半導体封止材用のフィラー等として利用する場合に、半導体チップ等の変形を抑制するために熱膨張率の高い結晶性シリカは有用である。
The cooled spherical crystalline silica particles have a crystal phase of 90% by mass or more. In addition, it contains 50% by mass or more of tridymite crystals. The crystalline silica particles have a higher thermal expansion rate than amorphous silica. When silica particles are used as a filler for a semiconductor encapsulant or the like, crystalline silica having a high thermal expansion rate is useful in order to suppress deformation of the semiconductor chip or the like.

以下、実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not construed as being limited to the following examples.

平均粒径(D50)11.9μm、AlをAl2O3換算で147ppm含む非晶質シリカ粒子を炭酸ナトリウムと混合し、大気中で800~1200℃まで昇温し、1~48時間保持した後、常温まで冷却した。得られたシリカ粒子を表1に示す。 Amorphous silica particles having an average particle size (D50) of 11.9 μm and containing 147 ppm of Al in terms of Al2O3 are mixed with sodium carbonate, heated to 800 to 1200 ° C. in the air, held for 1 to 48 hours, and then at room temperature. Cooled down to. The obtained silica particles are shown in Table 1.

円形度は、Sysmex社製フロー式粒子像解析装置「FPIA-3000」を用いて測定した。 The circularity was measured using a flow-type particle image analyzer "FPIA-3000" manufactured by Sysmex Corporation.

結晶化率は、X線回折により、非晶質のピークと結晶質のピークの積分面積を求め、その結晶質の面積の比率を結晶化率とした。つまり、結晶化率=結晶質のピークの積分面積/(非晶質のピークの積分面積+結晶質のピークの積分面積)として計算した。同様に、非晶質、クリストバライト、石英、トリディマイト、その他の結晶の比率を計算した。
原料および熱処理後の平均粒径(D50)は、レーザー回折式粒度分布測定装置(CILAS社製CILAS920)を用いて測定した。尚、D50とは、メディアン径ともよばれ、積算重量%が50%となる粒径である。
原料および熱処理後の不純物含有量は、試料を酸で加熱分解して得られた試料水溶液を原子吸光法により測定した。
For the crystallization rate, the integrated area of the amorphous peak and the crystalline peak was obtained by X-ray diffraction, and the ratio of the crystalline area was taken as the crystallization rate. That is, it was calculated as crystallization rate = integrated area of crystalline peak / (integrated area of amorphous peak + integrated area of crystalline peak). Similarly, the proportions of amorphous, Christovalite, quartz, tridimite and other crystals were calculated.
The raw material and the average particle size (D50) after the heat treatment were measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (CILAS 920 manufactured by CILAS). The D50 is also called a median diameter, and is a particle size having a cumulative weight% of 50%.
The raw material and the impurity content after the heat treatment were measured by the atomic absorption method using the sample aqueous solution obtained by heat-decomposing the sample with an acid.

本発明による実施例では、いずれも結晶化率は全体の90質量%以上であり、トリディマイトを全体の50質量%以上含む結晶性球状シリカ粒子が得られた。
また、本発明による実施例の粒子は、円形度が0.86~0.95であり、平均粒径(D50)が12.6~15.7μmの結晶質シリカ粒子が得られた。
一方、比較例6の700℃で48h熱処理したサンプルは、結晶化が不十分で非晶質が34.4%と多く残っていた。また、比較例7の1300℃で1h熱処理したサンプルは、粒子が固まった状態になっており、粒子状のものを得ることができなかった。
In the examples according to the present invention, the crystallization rate was 90% by mass or more of the whole, and crystalline spherical silica particles containing 50% by mass or more of tridymite were obtained.
Further, the particles of the examples according to the present invention had a circularity of 0.86 to 0.95, and crystalline silica particles having an average particle size (D50) of 12.6 to 15.7 μm were obtained.
On the other hand, in the sample heat-treated at 700 ° C. for 48 hours in Comparative Example 6, crystallization was insufficient and a large amount of amorphous material remained at 34.4%. Further, in the sample heat-treated at 1300 ° C. for 1 hour in Comparative Example 7, the particles were in a solidified state, and particles could not be obtained.

Figure 0007017362000001
Figure 0007017362000001

平均粒径(D50)31.8~93.2μm、AlをAl2O3換算で194~2013ppm含む非晶質シリカ粒子を炭酸ナトリウムと混合し、大気中で1000℃まで昇温し、6~24時間保持した後、常温まで冷却した。得られたシリカ粒子を実施例1と同様の方法で評価した結果を表2に示す。
本発明による実施例では、非晶質は確認されず、いずれも結晶化率100質量%で、トリディマイトを全体の50質量%以上含む結晶性球状シリカ粒子が得られた。
また、本発明による実施例の粒子は、円形度が0.86~0.91であり、平均粒径(D50)が35.4~98.2μmの結晶質シリカ粒子が得られた。
一方、比較例12のNa量が本発明より少ない場合、球状の結晶性粒子は得られたものの、トリディマイトの含有量が4.2質量%のものしか得られなかった。比較例13のNa量が本発明より多い場合、トリディマイトの含有量は57.8質量%であったが、粒子が強固に結合し、塊状となってしまったため、解砕しても球状の粒子を得ることができなかった。また、比較例14のAlをAl2O3換算で2013ppm含む非晶質シリカを原料に用いた場合、本発明のものよりトリディマイトの含有量が低い結晶質シリカ粒子であった。
Amorphous silica particles having an average particle size (D50) of 31.8 to 93.2 μm and containing Al of 194 to 2013 ppm in terms of Al2O3 are mixed with sodium carbonate, heated to 1000 ° C. in the air, and held for 6 to 24 hours. After that, it was cooled to room temperature. Table 2 shows the results of evaluating the obtained silica particles in the same manner as in Example 1.
In the examples according to the present invention, amorphous was not confirmed, and crystalline spherical silica particles having a crystallization rate of 100% by mass and containing 50% by mass or more of tridymite were obtained.
Further, the particles of the examples according to the present invention had a circularity of 0.86 to 0.91, and crystalline silica particles having an average particle size (D50) of 35.4 to 98.2 μm were obtained.
On the other hand, when the amount of Na in Comparative Example 12 was smaller than that of the present invention, spherical crystalline particles were obtained, but only those having a tridymite content of 4.2% by mass were obtained. When the amount of Na in Comparative Example 13 was larger than that of the present invention, the content of tridymite was 57.8% by mass, but the particles were tightly bound and became agglomerates, so that the particles were spherical even when crushed. Could not be obtained. Further, when amorphous silica containing Al of Comparative Example 14 at 2013 ppm in terms of Al2O3 was used as a raw material, the crystalline silica particles had a lower tridymite content than that of the present invention.

Figure 0007017362000002
Figure 0007017362000002

Claims (6)

結晶相が全体の90質量%以上であり、トリディマイト結晶が全体の50質量%以上であること
粒子全体に対して、Naを酸化物換算で1~10質量%含むこと及び
粒子全体に対して、Alの含有量がAl 換算で50~1000ppmであること
を特徴とする、球状結晶性シリカ粒子。
The crystal phase is 90% by mass or more of the whole, and the tridymite crystal is 50% by mass or more of the whole.
Containing 1 to 10% by mass of Na in terms of oxide with respect to the entire particle
The Al content is 50 to 1000 ppm in terms of Al 2 O 3 with respect to the entire particles.
Spherical crystalline silica particles characterized by.
平均粒径(D50)が、1~100μmであることを特徴とする、請求項1に記載の球状結晶性シリカ粒子。 The spherical crystalline silica particles according to claim 1, wherein the average particle size (D50) is 1 to 100 μm. 平均円形度が、0.85以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の球状結晶性シリカ粒子。 The spherical crystalline silica particles according to claim 1 or 2 , wherein the average circularity is 0.85 or more. 非晶質の球状シリカ粒子に、非晶質の球状シリカ粒子の重量とNaの化合物の酸化物換算の重量の合計に対し酸化物換算で1~10質量%のNaの化合物を混合し、
混合された球状シリカ粒子を800~1200℃で熱処理し、
熱処理された球状シリカ粒子を冷却する工程を含み、
冷却された球状シリカ粒子が、90質量%以上の結晶相を有し、かつトリディマイト結晶が全体の50質量%以上であること、及び
Naの化合物と混合する非晶質の球状シリカ粒子のAlの含有量が、Al 換算で50~1000ppmであることを特徴とする、球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。
The amorphous spherical silica particles are mixed with 1 to 10% by mass of the Na compound in terms of oxide with respect to the total of the weight of the amorphous spherical silica particles and the weight of the Na compound in terms of oxide.
The mixed spherical silica particles are heat-treated at 800 to 1200 ° C.
Including the step of cooling the heat-treated spherical silica particles,
The cooled spherical silica particles have a crystal phase of 90% by mass or more, and the tridymite crystals are 50% by mass or more of the whole.
A method for producing spherical crystalline silica particles , characterized in that the Al content of the amorphous spherical silica particles mixed with the Na compound is 50 to 1000 ppm in terms of Al2O3 .
球状結晶性シリカ粒子の平均粒径(D50)が、1~100μmとなるように製造することを特徴とする、請求項に記載の球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。 The method for producing spherical crystalline silica particles according to claim 4 , wherein the spherical crystalline silica particles are produced so that the average particle size (D50) is 1 to 100 μm. 球状結晶性シリカ粒子の平均円形度が、0.85以上となるように製造することを特徴とする、請求項4または5に記載の球状結晶性シリカ粒子を製造する方法。 The method for producing spherical crystalline silica particles according to claim 4 or 5 , wherein the spherical crystalline silica particles are produced so that the average circularity is 0.85 or more.
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