隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，作為大規(guī)模集成電路封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵材料——高純度球形硅微粉的研究越來(lái)越受到關(guān)注。本研究分別以天然石英和稻殼為原料，結(jié)合氧氣-乙炔火焰法制備大規(guī)模集成電路封裝要求的高純度球形石英粉和超大規(guī)模集成電路封裝要求的低放射性球形硅微粉。

具體工作包括：

第一，提出了機(jī)械-化學(xué)方法相結(jié)合的石英提純新工藝，提純的同時(shí)實(shí)現(xiàn)石英超細(xì)粉碎和顆粒預(yù)整形，制備了具有一定流動(dòng)性的高純度石英微粉；

第二，利用我國(guó)豐富的稻殼為原料，利用堿溶液法制備水玻璃、通過(guò)離子交換法交換去除Na~+、K~+、Al~(3+)、Fe~(3+)、Cl~-等離子制備高純度硅溶膠、對(duì)硅溶膠進(jìn)行噴霧造粒制得類球形氧化硅微粉、焙燒后得到具有一定流動(dòng)性的焙燒造粒氧化硅微粉；

第三，開發(fā)新的氧氣-乙炔火焰法球形化工藝，研制氧氣-乙炔火焰法球形化專用設(shè)備：超細(xì)微粉送粉器、火焰燃燒器、球形化爐，設(shè)計(jì)配套微粉冷卻和收集裝置；

第四，分別以上述制備的高純度石英微粉和類球形的造粒氧化硅微粉為原料對(duì)其進(jìn)行球形化處理，制備了兩種球形硅微粉；最后，將制備的球形硅微粉分別與E-51型環(huán)氧樹脂復(fù)合，對(duì)SiO_2／E-51環(huán)氧塑封料的熱膨脹性能、熱穩(wěn)定性能及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

 取得如下幾個(gè)方面的進(jìn)展： 

1、開發(fā)了球磨結(jié)合復(fù)配酸的機(jī)械-化學(xué)石英提純新工藝。 通過(guò)對(duì)脈石英原料的礦物組成、礦物的賦存狀態(tài)、化學(xué)成分等進(jìn)行研究，在傳統(tǒng)復(fù)配酸提純石英的基礎(chǔ)上，開發(fā)了球磨結(jié)合復(fù)配酸的機(jī)械-化學(xué)石英提純新工藝。對(duì)比復(fù)配酸提純方法，該新工藝大大減少了酸的處理時(shí)間，并且石英微粉的品質(zhì)更高：SiO_2含量99．98％、Al_2O_3含量下降到20×10~(-6)g/g以下、Fe_2O_3含量降到5×10~(-6)g／g，其它微量元素的含量都低于1×10-~(-6)g／g。并且，而且在機(jī)械-化學(xué)提純的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了石英的超細(xì)粉碎和顆粒預(yù)整形，因而石英微粉的流動(dòng)性能更好，滿足了氧氣-乙炔火焰法制備球形石英粉對(duì)石英微粉的純度和流動(dòng)性能的要求。

 2、研制成功了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅球形化爐，改進(jìn)了沸騰式超細(xì)微粉送粉器、火焰燃燒器，開發(fā)了氧氣-乙炔火焰法球形SiO_2生產(chǎn)新工藝和專用設(shè)備。 研究了傳統(tǒng)送粉器的微粉輸送機(jī)理，對(duì)制約其輸送超細(xì)微粉所要面臨的瓶頸問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出團(tuán)聚和流動(dòng)性差是超細(xì)微粉無(wú)法輸送的關(guān)鍵原因。通過(guò)改進(jìn)粉斗結(jié)構(gòu)、送粉拾取軸、重新設(shè)計(jì)載氣氣路，將傳統(tǒng)的載氣式微粉送粉器改造成沸騰式微粉送粉器，將傳統(tǒng)的載氣式微粉送粉器改造成沸騰式微粉送粉器。利用空氣震動(dòng)、微粉自身的重力、載氣和粉斗內(nèi)氣體的壓力差實(shí)現(xiàn)了10μm以細(xì)的石英微粉和造粒氧化硅微粉的連續(xù)、穩(wěn)定輸送。該送粉器的主要技術(shù)指標(biāo)：可送微粉粒度范圍為5～50μm，送粉速率為15～200g／min。 以反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料為原料，采用實(shí)心注漿成型、結(jié)合真空燒結(jié)工藝制造了球形化爐。對(duì)比傳統(tǒng)的水冷式夾層不銹鋼球形化爐，該球形化爐耐溫度更高、并且該設(shè)計(jì)有效的延長(zhǎng)了氧氣-乙炔火焰的高溫區(qū)，整個(gè)球形化爐內(nèi)形成2000K以上的穩(wěn)定溫度場(chǎng)，為獲得高球形化率的球形硅微粉提供了保障。 對(duì)火焰燃燒器的送粉結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了微粉與氧氣-乙炔焰流方向一致的軸向內(nèi)送粉模式；對(duì)比傳統(tǒng)的垂直送粉、傾斜送粉等方式，減少了微粉的浪費(fèi)，并且提高了球形化的效率；通過(guò)對(duì)噴嘴尺寸進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了氧氣-乙炔焰流速度，軸向內(nèi)送粉和較低的焰流速度有利于延長(zhǎng)微粉在球形化爐內(nèi)的飛行時(shí)間，因而提高了石英微粉的球形化率。 氧氣-乙炔火焰法球形化工藝中采用O_2作為石英微粉輸送時(shí)的載氣，這部分O_2同樣參與助燃，以O(shè)_2為載氣不會(huì)像用其它氣體如N_2、Ar一樣因?yàn)榇罅坷漭d氣的引入而降低球形化爐的溫度。因此，以O(shè)_2為載氣有效的保持了爐溫，有利于提高石英微粉的球形化率。

 3、建立了石英微粉球形化的數(shù)學(xué)模型，確定了石英微粉球形化的最佳工藝參數(shù)。 通過(guò)對(duì)火焰與石英顆粒熱交換、石英顆粒溫度變化、石英顆粒速度變化、石英顆粒球形化需要的能量等進(jìn)行研究，建立了石英微粉球形化的時(shí)間模型： 式中，t為石英微粉球形化需要的時(shí)間，p為石英粉密度，d_p為顆粒直徑，H_m為石英的熱焓，λ_p表示熱火焰燃燒氣體的熱導(dǎo)率，T_g表示氣體的溫度，T_p表示顆粒表面的溫度，Nu努賽爾數(shù)，ε石英的反射率，σ是Stefan Boltzmann常數(shù)。 研究了氧氣-乙炔火焰法球形化石英微粉的實(shí)驗(yàn)條件，包括送粉速率、燃?xì)饧爸細(xì)獾牧髁俊⑹⑽⒎鄣牧６燃傲６确植?、石英微粉的形貌等因素?duì)微粉球形化率的影響，確定了石英微粉球形化的最佳工藝參數(shù)。以中徑為10μm的石英微粉為原料進(jìn)行球形化實(shí)驗(yàn)，助燃?xì)釵_2 20L／min、載氣O_2 5L／min、C_2H_2 10L／min、送粉速率為60g／min，制備的球形石英球形化率可達(dá)95％、微粉純度＞99．9％、松裝密度0．87g／cm~3、流動(dòng)度為(67-70)s／50g。石英微粉球形化后平均粒度變大、松裝密度變大、流動(dòng)性能更佳。 在氧氣-乙炔火焰法球形化石英微粉過(guò)程中，低溫石英迅速被加熱成低溫石英的過(guò)熱晶體，一直保持到1600℃直接熔融為過(guò)冷的SiO_2高溫熔體，熔體驟冷形成熔融球形石英粉。 以氧氣-乙炔工藝制備的球形石英粉指標(biāo)滿足大規(guī)模集成電路封裝的要求，且該工藝制造成本較低，適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

 4、通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了稻殼為原料制備低放射性球形硅微粉工藝過(guò)程中的基本參數(shù)。 將稻殼在600℃下充分熱解得到稻殼灰，利用堿溶液法制備水玻璃，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，稻殼灰中SiO_2的溶出率為95．74％；以濃度為10％的水玻璃為原料，利用大孔型的D001陽(yáng)離子交換樹脂和D201陰離子樹脂交替對(duì)其進(jìn)行交換吸附，制得的硅溶膠的膠粒粒徑分布在20～30nm之間、硅溶膠中Na~+含量為5×10~(-6)g/g；對(duì)固含量為30％的硅溶膠在10mL·min~(-1)的進(jìn)料速度下進(jìn)行噴霧造粒；然后將造粒氧化硅微粉在1000℃下焙燒1h。 對(duì)上述經(jīng)焙燒的造粒氧化硅微粉在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行火焰球形化處理，可以制得球形化率＞95％、顆粒粒度主要分布在1～4μm之間、純度＞99．99％、放射性元素U含量為0．05×10~(-9)g/g的低放射性球形硅微粉。這種以稻殼為原料制備的低放射性球形硅微粉滿足超大規(guī)模集成電路封裝的要求。 

5、利用球形石英粉、低放射性球形硅微粉、普通石英粉三種硅微粉分別填充E-51環(huán)氧樹脂，其中尤以球形石英粉對(duì)E-51的填充量最大，并且制備的球形石英粉／E-51環(huán)氧塑封料的熱膨脹性能、熱穩(wěn)定性能及力學(xué)性能也最優(yōu)，低放射性球形硅微粉次之。但是，低放射性球形硅微粉在超大規(guī)模集成電路封裝中更有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)球形石英粉的添加量為80％時(shí)，環(huán)氧塑封料的彎曲強(qiáng)度為146Mpa、環(huán)氧塑封料的膨脹系數(shù)達(dá)到8．5×10~(-6)K~(-1)、環(huán)氧塑封料的玻璃化溫度提高了34℃。 采用DSC方法對(duì)環(huán)氧樹脂反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，得出SiO_2／E-51／MeTHPA／DMP-30體系固化反應(yīng)表觀活化能△E=78．52kJ·mol~(-1)，固化反應(yīng)級(jí)數(shù)n=0．917。 對(duì)比射頻等離子球形化法、直流電弧等離子球形化法、碳極電弧加熱等高溫球形化方法、高溫熔融噴射球形化法等制備球形硅微粉的方法，氧氣-乙炔火焰法球形化工藝更加簡(jiǎn)化、控制更加容易、能源消耗更少、適于產(chǎn)業(yè)化；對(duì)比目前正硅酸乙脂或者四氯化硅水解等制備球形硅微粉的化學(xué)方法，以稻殼為原料的化學(xué)-物理方法結(jié)合的工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)率更高、原料成本更低、可產(chǎn)業(yè)化且無(wú)污染。因此，氧氣-乙炔火焰法制備球形硅微粉更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；a(chǎn)、生產(chǎn)成本更低、更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

設(shè)備優(yōu)勢(shì)：

1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

2. 無(wú)雜質(zhì)引入

3. 能耗低，產(chǎn)量大。

成功案例

1.蚌埠玻璃研究院

2.壹石通新材料

3.雅安百圖新材料

共計(jì)三十余套，二十余年調(diào)試運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

聯(lián)系人：欒先生

電話：13998327251