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球形石英粉制备技术及行业生产现状!

文章来源:https://www.hayond.cn 发布时间:2020-04-11 浏览次数:16

球形石英粉制备技术及行业生产现状!

球形石英粉又称球形硅微粉,是指颗粒个体呈球形,主要成分为二氧化硅的无定形石英粉体材料。

球形石英粉主要用于大规模集成电路封装中覆铜板以及环氧塑封料填料,在航空航天、精细化工和日用化妆品等高新技术领域也有应用。

1、石英粉为什么要球形化?

(1)球的表面积最小,各向同性好,与树脂搅拌成膜均匀,树脂添加量小,并且流动性最好,粉的填充量可达到最高,质量比可达90.5%,因此,球形化意味着硅微粉填充率的增加。

硅微粉的填充率越高,塑封料的热膨胀系数就越小,导热系数也越低,就越接近单晶硅的热膨胀系数,由此生产的电子元器件的使用性能也越好。

(2)球形粉制成的塑封料应力集中最小,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,因此,球形粉塑封料封装集成电路芯片时,成品率高,并且运输、安装、使用过程中不易产生机械损伤。

(3)球形粉摩擦系数小,对模具的磨损小,使模具的使用寿命长。与角形粉相比,可以提高模具的使用寿命达一倍,塑封料的封装模具价格很高,有的还需要进口,这一点对封装厂降低成本,提高经济效益也十分重要。

(4)硅微粉本身就有增强环氧树脂的作用,而球形粉可以增强这个功用。

2、球形石英粉制备技术

球形石英粉制备方法主要有火焰熔融法、等离子加热炉法、化学合成法、水解法等。

(1)火焰熔融法

目前,国内各生产厂家主要利用火焰熔融的方法来实现石英粉球形化的量产。该技术的关键是加热装置要求有稳定的温度场、易于调节温度范围以及不要对石英粉造成二次污染。

主要生产设备包括:粉料定量输送系统、燃气量控制和混合装置、气体燃料高温火焰喷枪、冷却回收装置等。

粉料定量输送系统:将待加工成球形石英粉的粉料按照规定的给料量连续、均匀地输送到高温火焰中;

燃气量控制和混合装置:可根据火焰温度、火焰长度和刚度调节、控制燃气量和助燃气体量,并将燃气与助燃气体充分混合后送到高温火焰喷枪;

气体燃料高温火焰喷枪:是将混合燃料气体(混合入助燃气体)和非球形石英粉物料同时喷出,点火后产生高温火焰,熔融分散的石英粉使之成为球形石英粉。

冷却回收装置:将已被熔融且分散的高温球形石英粉迅速冷却,避免出现析晶现象,并将冷却后的球形石英粉在收集器中回收。

其成球原理为:高温火焰喷枪喷出1600-2000℃的高温火焰,当粉体进入高温火焰区时其角形表面吸收热量而呈熔融状态,热量进一步被传递到粉体内部,粉体颗粒完全呈熔融状态。在表面张力的作用下,物体总是要趋于稳定状态,而球形则是最稳定状态,从而达到产品成球目的。

粉体颗粒能否被熔融取决于两方面:

一是火焰温度要高于粉体材料的熔融温度,这就要选择合适的气体燃料;

二是保证粉体颗粒熔融所需要的热量。在火焰温度一定的情况下,不同粒径的粉体颗粒达到熔融所需要的热量是不同的,而吸收热量的多少与粉体颗粒在火焰中的时间成正比,因此可得到粉体颗粒在火焰中达到熔融所需要的时间与其粒径的关系。

t=β・ω・d

式中t为粉体颗粒在火焰中达到熔融所需要的时间;β为材料的相关系数,如比热、导热系数、密度等;ω为火焰的相关系数;d为粉体颗粒粒径。

根据粉体颗粒在火焰中达到熔融所需要的时间和粉体颗粒在火焰中的速度,得到所需火焰的长度尺寸,通过调节燃气量控制装置达到要求。

(2)等离子加热炉法

热等离子体也叫局部热力学平衡等离子体,其主要特征是等离子体中局部的电子温度(Te)、离子温度(Ti)以及气体温度(Tg)几乎一致。电弧等离子体、高频等离子体以及感应等离子体都属于热等离子体。

采用高频等离子体熔融法制备球形石英粉,温度范围适中、控制平稳、产量高,可达到较高球化率,因而是一种较合适的生产方法。其原理与工艺与火焰熔融法类似,主要是将高温热源变为等离子体发生器。

工作气为压缩空气,工作气量为10m3/h。高频等离子体发生器输入功率为100kW,产生4000℃-7000℃的高温气体作为热源,将二氧化硅粉体通过给料器从顶部输送到等离子反应炉弧区内,粉体受热熔化和气化,经特制的骤冷器进行淬冷,再经重力收集,旋风收集(微米级)和布袋集尘(纳米级),在1s-2s内,就可得到球状微米级和纳米级SiO2粉体。

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