高纯超细球形硅微粉制备方法，你用的是哪种？
2020-12-18 17:41:39
近年来，随着微电子技术的迅猛发展，人们对微电子元件的质量要求越来越高，使得硅微粉质量要求也越来越高。阅读之前，如果对硅微粉还不是非常了解，可以戳《终于把硅微粉分类搞清楚了》了解硅微粉详情。
全球集成电路（IC）封装材料的97%采用环氧塑封料（EMC），而在EMC的组成中，除主料酚醛环氧树脂外，硅微粉是用量最多的填料。硅微粉填料占环氧模塑料重量比达70%-90%。所以为了高质量的塑封料除了要求硅微粉超细、高纯度、低放射性元素外，还特别要求其颗粒球形化。这是因为：
（1）球的表面流动性好，与树脂搅拌成膜均匀，使得树脂的添加量小，硅微粉的填充量达到最高，因此球形化意味着硅微粉填充率的增加，而硅微粉的填充率越高，其膨胀系数就越小，导热系数也越低，也就越接近单晶硅的热膨胀系数，由此产生的电子元器件的使用性能也越好；
（2）与角形硅微粉制成的塑封料相比，球形塑封料盈利集中最小、强度最高，当角形粉的塑封料应力集中为1时，球形粉的应力仅为0.6，由此制成的微电子器件成品率高，便于运输、安装，并且在使用过程中不易产生机械损伤；
（3）相比于角形硅微粉，球形粉摩擦系数小，对模具的磨损小，使得模具的使用寿命可提高一倍。
目前，我国所需要的高质量球形硅微粉部分还依赖进口，如何制备高纯、超细的球形硅微粉仍是国内粉体研究热点。现阶段球形硅微粉的制备方法主要包括物理法和化学法。
1、物理法
1.1、火焰成球法
火焰成球法首先对石英进行粉碎、筛分、提纯等前处理，然后将石英微粉送入燃气-氧气产生的高温场中，进行高温熔融、冷却成球，最终形成高纯度球形硅微粉。
具体可采用乙炔气、氢气、天然气等工业燃料气体作为熔融粉体的洁净无污染火焰为热源，此种方法涉及热力学、流体力学、颗粒流体力学等方面的理论。与等离子体高温火焰相比，不涉及电磁学理论及离子在电磁场中流动和运动的问题，生产易控制，易实现工业化大规模生产，是一种具有发展前途的生产工艺。
1.2、高温熔融喷射法
高温熔融喷射法是将高纯度石英在2100-2500℃下熔融为液体，经过喷雾、冷却，得到球形硅微粉。产品表面光滑，球形化率和非晶形率均可达到100％。据调研，美国的球形硅微粉主要采用此法生产的，由于涉及到高性能计算机技术，他们对外严密封锁。高温熔融喷射法易保证球化率和无定形率，但不易解决纯度和雾化粒径调整等问题。目前国内尚未见这方面研究和生产的报道。
1.3、自蔓延低温燃烧法
自蔓延低温燃烧法的工艺流程包括硅酸钠的制备、硅酸溶胶的制备、混合燃烧液的制备、燃烧反应、退火除碳、洗涤处理等步骤。其工艺流程如下：
该技术方法具有以下明显优点：
（1）可以以熔融硅微粉为原料，也可以推广至以天然粉石英为原料；
（2）工艺简单，无特殊设备要求，操作方便，易于控制，生产成本低；
（3）生产过程中使用的材料仅包含极易溶于水的钠离子和硝酸根离子，不会引入其他杂质离子，有利于高纯硅微粉的制备。
目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。
1.4、等离子体法
等离子体法的基本原理是利用等离子矩的高温区将二氧化硅(SiO2)粉体熔化，由于液体表面张力的作用形成球形液滴，在快速冷却过程中形成球形化颗粒。此法能量高、传热快、冷却块，所制备的产品形貌可控、纯度高、无团聚。
1.5、高温煅烧球形化
高温煅烧球形化一般是制备高纯超细球形硅微粉，其工艺流程如下：
高纯超细球形硅微粉不仅球化率高、白度好、含硅量高、含铁铝少，ph呈中性偏酸性、流动分散性好，膨胀和导热系数小，导电率低，耐腐蚀，而且投资少、生产成本低、产量大，是一种用途广泛的无机材料，可大量应用于高档涂料、高级填料、绝缘材料、精密铸造、电子封装和航空航天等行业。
该技术目前还处于实验阶段。
2、化学法
2.1、气相法
气相法SiO2(俗称气相法白炭黑)是由硅的卤化物在高温下水解制得的一种精细、特殊的无定形粉体材料。硅烷卤化物在氢氧燃烧火焰生成的水中发生高温水解反应，温度一般高达1200-1600℃，然后骤冷，再经过聚集、旋风分离、空气喷射脱酸、沸腾床筛选、真空压缩包装等后处理获得成品气相法生成的SiO2产品纯度高，平均原生粒径为7-40nm，比表面积为50-380m2/g，SiO2质量分数不小于99.8％。但其在有机物中难以分散且污染环境。
在高温水解下，其反应原理：
SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl
CH3SiCl3+2H2+3O2→SiO2+CO2+2HCl+H2O
2.2、水热合成法
水热合成法是液相制备纳米粒子的一种常用方法，一般在100-350℃温度和高压环境下，使无机和有机化合物与水化合，通过对加速渗析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再经过滤、洗涤、干燥，得到高纯、超细的微粒子。水热法的优点是可直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需经过锻烧转化成氧化物这一步骤，从而降低了硬团聚的形成几率。
由于反应釜大小的限制。目前水热法制备SiO2还处在实验室阶段。
2.3、溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成的氧化物或其他化合物固体的方法。此法的优点是化学均匀性好、颗粒细、纯度高、设备简单，粉体活性高，但原材料较贵，颗粒问烧结性差，干燥时收缩性大，易出现团聚问题。其反应机理如下：
M(OR)n+xH2O→-M(OH)(OR)+xROH
-M-OH+HO-M→-M-O-M+H2O(失水缩聚)
-M-OR+HO-M→-M-O-M+ROH(失醇缩聚)
2.4、沉淀法
沉淀法以水玻璃和酸化剂为原料，适时加入表面活性剂，控制反应温度，在沉淀溶液pH值为8时加稳定剂，所得沉淀经洗涤、干燥，煅烧后形成硅微粉。沉淀法生成的SiO2粒径均匀且成本低，工艺易控制，有利于工业化生产，但存在一定的团聚现象。其反应原理如下：
Na2SiO3+2H+→2H2SiO3+2Na+
H2SiO3→SiO2+H2O
2.5、微乳液法
微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液，使成核、生产、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从乳液中析出固相，形成球形颗粒，避免了颗粒间进一步团聚。利用微乳液法制备SiO2大多以正硅酸乙酯为硅源，通过正硅酸乙酯分子扩散，透过反胶束界面膜向水核内渗透，继而发生水解缩合反应，制得SiO2。此法制备的产品粒度分布窄、粒径可控、分散性好。
3、喷雾法
喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理。此方法特点是颗粒分布比较均匀，但颗粒尺寸为亚微米到10μm，是一种合成粒径可控纳米粒子氧化物的新方法。
通过对上述制备硅微粉各种方法的对比，我们可以大致得出：物理法制备的球形硅微粉所需的原材料较为廉价，但对原材料石英质量和生产设备等要求较高。其中火焰成球法目前是一种可实现规模化生产且有发展前景的工艺技术。
化学法可制备出高纯且粒径均匀的球形Si02，但由于需用大量的表面活性剂，因此存在生产成本高、有机杂质不易除净、容易团聚及难以工业化等缺点。本着经济的原则，如果能通过化学改性的方法．解决化学法的诸多问题，将对我国球形硅微粉的生产工业化及电子封装产业的快速发展有着深远的意义。
参考文献：
[1]阮建军. 球形硅微粉的研究进展[J]. 科技视界, 2013(33):417-418.
[2] 李俊, 蒋述兴. 球形硅微粉的制备现状[J]. 佛山陶瓷, 2012(11):427-431.
文/小黑杨