一文了解國內(nèi)外硅微粉高溫球形化研究現(xiàn)狀

高純硅微粉球形化是一項跨學(xué)科的高難度工程，其技術(shù)關(guān)鍵是穩(wěn)定連續(xù)的送粉系統(tǒng)、加熱裝置要求有穩(wěn)定的溫度場、易于調(diào)節(jié)的溫度范圍、不對硅微粉造成二次污染的清潔熱源環(huán)境、粘稠的石英熔融霧滴的高效率冷卻與回收。目前，世界上只有日本、美國、中國、加拿大、德國和俄羅斯等少數(shù)國家掌握此技術(shù)。

1.

國外硅微粉高溫球形化研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代，國外的一些研究機構(gòu)如美國的加州大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、加拿大的舍布魯克大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本清源研究院等已經(jīng)開始球形硅微粉的研究，一些公司如美國的Basf公司、美國通用公司、德國的德固賽公司、比利時的矽比科（Sibelco）、加拿大的Tekna公司、日本的Admatechs公司、日本電氣化學(xué)工業(yè)公司、Nippon Aeosil公司、川崎鋼鐵、日本龍森（Tatsumori）、東芝熔融、信越化學(xué)工業(yè)株式會社已經(jīng)有相關(guān)專利申報并投入生產(chǎn)。

目前，國際上研究、生產(chǎn)球形硅微粉的國家主要是美國和日本，生產(chǎn)技術(shù)包括二氧化硅高溫熔融噴射法、高頻感應(yīng)等離子法、直流等離子法、氣體火焰法和控制正硅酸乙酷、四氯化硅的水解法等。

（1）日本

早在上世紀(jì)八十年代，日本就開始著手開發(fā)球形硅微粉制備工藝，并申請了大量的火焰法制備球形硅微粉的專利。九十年代初進行試生產(chǎn)并開始應(yīng)用于大規(guī)模集成電路的塑封料；到1999年底日本已有年產(chǎn)球形石英微粉近萬噸的生產(chǎn)能力，除本國使用外，還大量出口。以日本電氣化學(xué)株式會社、日本龍森為主的一批企業(yè)已大批量生產(chǎn)球形硅微粉并運用到航天、超大屏幕電子顯像和大規(guī)模集成電路中。

▼日本龍森球形硅微粉部分參數(shù)注：由于該技術(shù)涉及高性能計算機技術(shù)的開發(fā)，國外對球形化技術(shù)高度保密，其提供的參數(shù)指標(biāo)也不完整。

火焰法采用天然氣、乙炔氣、氫氣等工業(yè)燃料氣體為熱源，主要涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、顆粒流體力學(xué)等方面的理論，與等離子體方法相比，不再涉及電磁學(xué)理論及粒子在電磁場中的運動問題，使得研究和生產(chǎn)控制更趨簡化。因此，火焰法生產(chǎn)球形硅微粉更易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，更具發(fā)展前途。

（2）美國

據(jù)調(diào)研，美國產(chǎn)的球形硅微粉主要是采用高溫熔融噴射球形化法生產(chǎn)的。該工藝是將高純度石英在2100-2500℃下熔融為石英液體，經(jīng)過噴霧、冷卻后得到球形硅微粉，該法制備的球形硅微粉球形度好、表面光滑、球形化率和非晶形率均可達到。

高溫熔融噴射球形化法中的難點主要包括耐熔融石英液體的高溫材料、粘稠的石英熔融液體的霧化系統(tǒng)以及霧化系統(tǒng)對樣品的污染問題。

▼美國斯坦福研究院粉體中心球形硅微粉指標(biāo)

注：此表為電子封裝材料用硅微粉的技術(shù)要求，其中，A用于大規(guī)模集成電路，B用于超大規(guī)模集成電路。

（3）加拿大

加拿大TEKNA等離子系統(tǒng)公司的感應(yīng)等離子微粉顆粒球形化系統(tǒng)處于地位，并申請了全球?qū)＠?，此技術(shù)主要有以下幾個方面的優(yōu)勢：

，高頻感應(yīng)等離子炬沒有電極，不用考慮對樣品的污染問題；

第二，由于這種空心圓筒構(gòu)造，預(yù)處理的微粉材料或液相原料乃至氣相原料，可以從軸向引入，這點對于充分促進高溫等離子體和材料之間的熱傳導(dǎo)是非常有利的；

第三，感應(yīng)熱等離子體的體積比較大，溫度梯度比直流電弧等離子體小，即均勻性好；

第四，感應(yīng)炬管不但可以達到5000-10000K的高溫，而且高頻感應(yīng)等離子的焰流速度更低從而延長微粉在高溫區(qū)停留的時間，保證了微粉在高溫區(qū)充分熔化甚至氣化，足以制得球形化率高的微粉。世界上很多的科研院所都在利用等離子法進行球形粉末研究。

2.

國內(nèi)硅微粉高溫球形化研究現(xiàn)狀

由于硅微粉球形化技術(shù)涉及高性能芯片技術(shù)的開發(fā)，國外對此高度保密，使得我國硅微粉球形化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。近年來，以華飛電子、聯(lián)瑞新材為的少數(shù)國內(nèi)企業(yè)突破國外技術(shù)封鎖，逐漸掌握高純、小粒度球形硅微粉的生產(chǎn)技術(shù)。

（1）火焰法

目前，國內(nèi)硅微粉球形化技術(shù)主要包括射頻等離子球形化法、直流電弧等離子球形化法、碳極電弧加熱球形化法以及化學(xué)合成法等。其中工業(yè)生產(chǎn)方面主要是利用火焰成球法來生產(chǎn)球形硅微粉。該技術(shù)的關(guān)鍵是加熱裝置要求有穩(wěn)定的溫度場、易于調(diào)節(jié)溫度范圍以及不要對硅微粉造成二次污染。

▼國內(nèi)某公司火焰成球法生產(chǎn)球形硅微粉工藝

（2）等離子體法

中國科學(xué)院過程所袁方利等開發(fā)了射頻等離子體法制備球形硅微粉技術(shù)。首先建立穩(wěn)定的氮-空氣等離子弧，然后利用N2為載氣將原料粉體經(jīng)加料引入等離子電弧中，粉體顆粒在弧中吸收大量的熱而迅速融化，并以極高的飛行速度進入反應(yīng)器，冷卻凝固后收集。

在該工藝中，通過調(diào)節(jié)N2的流量來控制原料的進料速度，石英粉體球形化后，顆粒球形度很高，表面光滑。

▼高溫法制備球形硅微粉工藝流程

高頻感應(yīng)等離子法采用的是軸向內(nèi)送粉，延長了樣品在等離子焰流中的停留時間；另外，高頻感應(yīng)設(shè)備不存在電極揮發(fā)對樣品的污染問題；還有感應(yīng)設(shè)備的反應(yīng)腔內(nèi)溫度高達30000K，更容易實現(xiàn)微粉球形化。但是，高頻等離子能耗高、溫度場小而集中、溫度范圍難以控制，很難形成規(guī)模生產(chǎn)能力。

盡管近年來中國球形硅微粉生產(chǎn)技術(shù)取得明顯進步，但純度、粒度以及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性與國外產(chǎn)品比較還存在一定的差距，每年還需從國外進口大部分的球形硅微粉產(chǎn)品。