什么是球形硅微粉，球形硅微粉怎樣制備？今天我們一起來了解一下。球形硅微粉為白色粉末，因純度高、顆粒細(xì)、介電性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高等優(yōu)越性能而具有廣闊的發(fā)展前景。球形硅微粉主要用于大規(guī)模集成電路封裝，在航空、航天、涂料、催化劑、醫(yī)藥、特種陶瓷及日用化妝品等高新技術(shù)領(lǐng)域也有應(yīng)用。大規(guī)模集成電路對(duì)球形硅微粉的純度有嚴(yán)格的要求，一般要求SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99. 5%、Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50 × 10-6、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10 ×10 -6，還要求放射性元素鈾( U) 和釷( Th)含量很低。目前，大部分高質(zhì)量球形硅微粉還依賴進(jìn)口。制備高純、超細(xì)的球形硅微粉已成為國內(nèi)粉體研究的熱點(diǎn)。
球形硅微粉的制備方法
目前，球形硅微粉的制備方法主要包括物理法和化學(xué)法，物理法包括火焰成球法、高溫熔融噴射法、等離子體法; 化學(xué)法主要是氣相法、液相法( 溶膠－ 凝膠法、沉淀法、微乳液法) 等。
物理法:火焰成球法,火焰成球法首先對(duì)進(jìn)行粉碎、篩分、提純等前處理，然后將石英微粉送入燃?xì)狻鯕猱a(chǎn)生的高溫場中，進(jìn)行高溫熔融、冷卻成球，形成高純度球形硅微粉。普通石英粉為原料，通過氧氣—乙炔火焰法制備出表面光滑、球形化率95%、非晶度80%，線膨脹系數(shù)0. 5 × 10-6 /K 的球形硅微粉。以稻殼為原料，通過化學(xué)－火焰球化法生成粒徑0. 5 - 5 μm、球形率近95%的硅微粉，它的流動(dòng)性達(dá)94s/50g，松裝密度為0. 721 g /cm3，放射性元素U 含量為0. 05 ×10 - 9 g /g，產(chǎn)品的放射性達(dá)到了超大規(guī)模集成電路的封裝要求。此法與等離子法和高溫熔融噴射法相比更易控制，更能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，也是更具發(fā)展前途的生產(chǎn)工藝。我國采用火焰法開發(fā)出“高純球形石英粉產(chǎn)品工業(yè)化制備技術(shù)及專用生產(chǎn)設(shè)備”并通過鑒定，所制備的球形石英粉成球率達(dá)98% 以上， 產(chǎn)率90%， 玻璃化率達(dá)95%，現(xiàn)已建立起1 200 t /a 工業(yè)化生產(chǎn)線并順利投產(chǎn)。
高溫熔融噴射法,高溫熔融噴射法是將高純度石英在2100-2500℃下熔融為液體，經(jīng)過噴霧、冷卻，得到球形硅微粉，產(chǎn)品表面光滑，球形化率和非晶形率均可達(dá)到100%。據(jù)調(diào)研，美國的球形硅微粉主要采用此法生產(chǎn)的，由于涉及到高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)，他們對(duì)外嚴(yán)密封鎖。此法保證球化率和無定形率，但不易解決純度和霧化粒徑調(diào)整等問題。目前國內(nèi)尚未見這方面研究和生產(chǎn)的報(bào)道。
等離子體法,等離子體法的基本原理是利用等離子矩的高溫區(qū)將二氧化硅粉體熔化，由于液體表面張力的作用形成球形液滴，在快速冷卻過程中形成球形化顆粒。以不含水分及未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的角形結(jié)晶型硅微粉或熔融型硅微粉為原料，給高頻等離子體發(fā)生器輸入100 kW 功率，以其產(chǎn)生的4000-7000℃高溫氣體作為熱源，當(dāng)原料通過等離子反應(yīng)爐弧區(qū)內(nèi)時(shí)，粉體受熱熔化、氣化及淬冷，得到球化率高、純度高、污染少的球狀微米級(jí)和納米級(jí)SiO2。在電容耦合的高頻氬氣等離子中，將四氯化硅與氧氣反應(yīng)，制備出超純無定形的活性SiO2粒子，粒徑小于4nm且呈球形。此產(chǎn)品在合成分子篩方面有很大的應(yīng)用前景。以機(jī)械粉碎法制備的SiO2粉體為原料，利用射頻等離子體法制備球形SiO2。所得產(chǎn)品顆粒表面光滑，球形度高，顆粒密度為2.15g /cm3，粒徑小于10μm。此法能量高、傳熱快、冷卻快，制備的產(chǎn)品形貌可控、純度高、無團(tuán)聚。
化學(xué)法:氣相法，氣相法SiO2( 俗稱氣相法) 是由硅的鹵化物在高溫下水解制得的一種精細(xì)、特殊的無定形粉體材料。首次提出兩步法水解SiCl4的氣相合成法制備粒徑為250-300nm的單分散SiO2。等人采用有機(jī)硅單體副產(chǎn)物甲基三氯硅烷作為生產(chǎn)原料，利用氣相法生成純度大于99. 8%，比表面積為100-400 m2/g，折射率為1. 46且介電性極好的SiO2。氣相法SiO2產(chǎn)品純度高、平均原生粒徑為7-40 nm、比表面積50-380 m2/g、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99. 8%， 但在有機(jī)物中難以分散。
溶膠－凝膠法，溶膠－凝膠法是金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理而形成的氧化物或其他化合物固體的方法。此法的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)均勻性好、顆粒細(xì)、純度高、設(shè)備簡單，粉體活性高，但原材料較貴，顆粒間燒結(jié)性差，干燥時(shí)收縮性大，易出現(xiàn)團(tuán)聚問題。以正硅酸乙酯為原料、氨水為催化劑，采用溶膠－ 凝膠法合成球形納米SiO2粒子。所得多孔SiO2可用做適當(dāng)硬度原料。以正硅酸乙酯為原料、氨水為催化劑，在微波加熱下用溶膠－凝膠法合成出納米SiO2。微波加熱法與傳統(tǒng)加熱法相比，反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)品粒徑分布窄且轉(zhuǎn)化率高。申曉毅也以正硅酸乙酯為原料、氨水作催化劑，采用微波輔助的溶膠－凝膠法在醇－水－氨體系中制備了單分散球形SiO2。產(chǎn)品為非晶態(tài)的球形顆粒，粒徑分布范圍窄，表面光滑，粒徑約為150 nm 且具有良好的紫外線吸收能力。
沉淀法，沉淀法以水玻璃和酸化劑為原料，適時(shí)加入表面活性劑，控制反應(yīng)溫度，在沉淀溶液pH 值為8 時(shí)加穩(wěn)定劑，所得沉淀經(jīng)洗滌、干燥，煅燒后形成硅微粉。沉淀粒生產(chǎn)的硅微粉徑均勻且成本低，工藝易控制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，但存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。以硅酸鈉作硅源、氯化銨作沉淀劑制備納米SiO2。控制硅酸鈉的濃度、pH 值及乙醇與水的體積比，可制備出粒徑為5 -8 nm、分散性好的無定形納米SiO2。以水玻璃和硫酸為原料，利用沉淀法在超重力反應(yīng)器中生成粒徑小、比表面積大的超細(xì)SiO2粉體。此法與傳統(tǒng)方法相比，反應(yīng)時(shí)間短，不需要晶種的制備或分段加酸，直接向旋轉(zhuǎn)床中加入濃硫酸進(jìn)行反應(yīng)，工藝過程簡單、操作方便、易于工業(yè)化。利用化學(xué)沉淀法原理，以多晶硅生產(chǎn)中的副產(chǎn)物四氯化硅和硅酸鈉為硅源、聚乙二醇為表面活性劑、無水乙醇為添加劑，成功合成了SiO2粉體。通過控制硅酸鈉濃度，制備出粒徑分布均勻、平均粒徑為150 nm、近似球形的非晶SiO2顆粒。此方法工藝流程簡單，容易操作，對(duì)設(shè)備要求低，可以解決國內(nèi)晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的副產(chǎn)物問題，產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)效益。
微乳液法
微乳液法是利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成均勻的乳液，使成核、生產(chǎn)、聚結(jié)、團(tuán)聚等過程局限在一個(gè)微小的球形液滴內(nèi)，從乳液中析出固相，形成球形顆粒，避免了顆粒間進(jìn)一步團(tuán)聚。利用微乳液法制備SiO2大多以正硅酸乙酯為硅源，通過正硅酸乙酯分子擴(kuò)散透過反膠束界面膜向水核內(nèi)滲透，繼而發(fā)生水解縮合反應(yīng)，制得SiO2。此法制備的產(chǎn)品具有粒度分布窄、粒徑可控、分散性好等優(yōu)點(diǎn)。
水熱合成法
水熱合成法是液相制備納米粒子的一種常用方法，一般在100-350℃ 溫度和高壓環(huán)境下，使無機(jī)和有機(jī)化合物與水化合，通過對(duì)加速滲析反應(yīng)和物理過程的控制，得到改進(jìn)的無機(jī)物，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥，得到高純、超細(xì)的微粒子。水熱法的優(yōu)點(diǎn)是可直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需經(jīng)過鍛燒轉(zhuǎn)化成氧化物這一步驟，從而降低了硬團(tuán)聚的形成幾率。采用超聲水熱法水解正硅酸乙酯制成單分散球形SiO2顆粒。產(chǎn)品為非晶態(tài)、形狀規(guī)則、粒度均勻、粒徑為72 nm。此法與溶膠—凝膠方法相比，不僅能提高反應(yīng)速率，消除局部濃度不均，而且對(duì)團(tuán)聚粉體顆粒有破壞作用。
噴霧法
噴霧法是將溶液通過各種物理手段進(jìn)行霧化獲得超微粒子的一種化學(xué)與物理相結(jié)合的方法。它的基本過程是溶液的制備、噴霧、干燥、收集和熱處理。此方法特點(diǎn)是顆粒分布比較均勻，但顆粒尺寸為亞微米到10 μm，是一種合成粒徑可控納米粒子氧化物的新方法。
球形硅微粉制備中存在的問題及解決辦法
綜上所述，在前3 種物理制備方法中，制約高純石英砂制備技術(shù)發(fā)展的瓶頸是石英的提純(尤其是Fe2O3、Al2O3雜質(zhì)的去除) 。化學(xué)法可制備出高純且粒徑均勻的球形SiO2，但由于微乳液法和溶膠—凝膠法采用了大量的表面活性劑，使生產(chǎn)成本高，有機(jī)雜質(zhì)不易除凈，難以工業(yè)化; 沉淀法由于來源廣泛、價(jià)廉，能耗小，最易工業(yè)化，但產(chǎn)品存在一定的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。
