一种高纯度超细球形石英粉及其制备方法和专用设备

摘要

本发明公开了一种高纯度超细球形石英粉及其制备方法和专用设备，该石英粉中SiO2含量不低于99.80％，粒度为1～40μm，球形化率为90～100％，非晶率为99～100％。其制备方法是将石英原料从火焰燃烧器轴向引入温度不低于1750℃的火焰中，然后在球形化炉中熔融，冷却后进行分级、收集，得到产品。所用设备包括：送粉器、与送粉器相连的火焰燃烧器，与火焰燃烧器轴向相连的球形化炉，包围在球形化炉下部周围的水冷装置，与球形化炉底部相连的重力沉降器，与重力沉降器上部连通的旋风收集器，与旋风收集器顶部相连的布袋收集器，与布袋收集器相连的抽风机，与抽风机相连的水槽。本发明石英粉纯度高、球形化率高、非晶率高，且设备和工艺简单、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯度超细球形石英粉及其制备方法和专用设备。

背景技术

球形石英粉广泛应用于半导体集成电路的封装，随着大规模、超大规模集成电路的发展，对封装填料的要求越来越高，不仅要求填料高纯、超细、放射性元素含量低，特别是对于颗粒形状提出了球形化的要求。球形石英粉与普通的石英粉相比具有低膨胀、低应力、高松装密度、高流动性、低摩擦系数、高填充度等优越性能，成为半导体集成电路封装材料中不可或缺的填充材料。专家预计到2010年，世界对球形石英粉的需求量将超过20力吨。

目前，制备球形硅微粉的方法有化学法和物理法。化学法主要是通过化学合成氧化硅凝胶，干燥、焙烧后制得球形氧化硅。例如，中国专利CN188075以水玻璃和无机酸为原料，通过控制溶剂、乳化剂和水玻璃的比例，乳化时的转速以及添加剂用量等参数，制得球形硅微粉。中国专利CN1075154用油包水乳化反应水解SiCl₄，控制一定的搅拌速度和溶剂与水的比例，硅与水的比例，制得球形硅微粉。另外，还有控制正硅酸乙酯、四氯化硅的水解法等工艺。化学方法制备的球形石英粉球形化率可接近100％，非晶率也可达到100％，但制备的球形硅微粉颗粒表面不够光滑、松装密度较低、流动性较差、用作封装填料时填充量较低。

物理方法主要包括直流等离子体高温熔融法、射频等离子体高温熔融法、碳极高温电弧加热法、高温熔融喷射法等。例如，中国专利CN1194807采用直流电弧等离子方法制备出微米级和纳米级的球形石英粉。等离子球形化方法由于工艺设备复杂，工艺参数较难控制，目前主要用于实验研究。因此，开发一种适合工业化生产的高纯度超细球形石英粉及其制备方法和设备存在迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种电子封装用高纯度超细球形石英粉及其制备方法和专用设备。采用本发明方法制备的石英粉适于大规模集成电路封装，且工艺流程简单，成本低，所需设备简单，易于实现大规模的工业化生产。

实现本发明目的的技术方案是：一种高纯度超细球形石英粉，该石英粉中SiO₂含量不低于99.80％，粒度为1～40μm，球形化率为90～100％，非晶率为99～100％。

本发明所述的高纯度超细球形石英粉的制备方法包括以下步骤：

(1)对石英微粉进行提纯和分级，制得纯度不低于99.80％且粒度为2～60μm的角形石英微粉原料；

(2)采用氮气或氧气为送粉载气，将角形石英微粉从火焰燃烧器轴向引入温度不低于1750℃的火焰中加热、加速，然后石英微粉进入球形化炉进一步加热、熔融，经过冷却，得到非晶态的球形石英粉；

(3)对非晶态的球形石英粉进行分级、收集，即得到高纯度超细球形石英粉。

上述步骤(2)中是以15～300g/min的送粉速率将角形石英微粉从火焰燃烧器轴向引入温度不低于1750℃的火焰中加热、加速，然后石英微粉进入预热过的球形化炉进一步加热、熔融。

上述步骤(2)中是采用氧气作为送粉载气。

上述步骤(2)中所述火焰燃烧器的火焰焰流速度为10～30m/s。

本发明还提供了上述高纯度超细球形石英粉的专用设备，包括：送粉器，与送粉器相连的火焰燃烧器，与火焰燃烧器轴向相连的球形化炉，包围在球形化炉下部周围并设有进水口和出水口的水冷装置，与球形化炉底部相连的重力沉降器，与重力沉降器上部连通的旋风收集器，与旋风收集器顶部相连的布袋收集器，与布袋收集器相连的抽风机，与抽风机相连的水槽。

上述送粉器的送粉速率为15～300g/min，送粉粒度为0.5～100μm。

上述火焰燃烧器的火焰焰流速度为10～30m/s。

上述球形化炉为耐高温陶瓷球形化炉，外部有隔热保温层，球形化炉下部设有与球形化炉连通的冷气管。

本发明的优点如下：

1.采用本发明方法和设备生产的球形石英粉颗粒表面光滑、纯度高、球形化率高、非晶率高、流动性好、粒径可以控制，适于大规模集成电路封装。

2.本发明工艺流程简单，成本低，所需设备简单，易于实现大规模的工业化生产。

附图说明

图1为本发明制备球形石英粉的装置示意图，1、送粉器；2、载气；3、氧气；4、燃气；5、火焰燃烧器；6、球形化炉；7、火焰；8、水冷装置；9、进水口；10、出水口；11、冷气管；12、重力沉降器；13、旋风收集器；14、布袋收集器；15、抽风机；16、水槽；

图2为本发明实施例3高纯度超细球形石英粉的SEM图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中均采用如下设备来制备高纯度超细球形石英粉，该设备(其示意图如图1所示)包括：送粉器1，与送粉器1相连的火焰燃烧器5，与火焰燃烧器5轴向相连的球形化炉6，包围在球形化炉6下部周围并设有进水口9和出水口10的水冷装置8，与球形化炉6底部相连的重力沉降器12，与重力沉降器12上部连通的旋风收集器13，与旋风收集器13顶部相连的布袋收集器14，与布袋收集器14相连的抽风机15，与抽风机15相连的水槽16。

送粉器1可以采用载气式送粉器或沸腾式送粉器，本发明实施例中采用沸腾式送粉器，它利用空气振动、粉末的重力、载气和粉筒内气体压力差工作，可实现连续均匀的送粉，送粉速率为15～300g/min，送粉粒度为0.5～100μm。

载气2流经送粉器1底部，将石英原料从火焰燃烧器5轴向送入火焰7中，助燃气体3和燃气4在火焰燃烧器5中燃烧产生高温火焰7，火焰7具有一定的长度(由燃气和氧气压力、流量控制)，焰流速度在10～30m/s之间。载气选用氧气，燃气优先选用乙炔、天然气或者液化气(LPG)，助燃气体为氧气。石英颗粒在高温火焰7中被加热、加速，而后进入预热后的球形化炉6，进一步被加热、熔融，在表面张力的作用下收缩成球形。球形化炉6是由耐高温陶瓷经注浆、真空烧结工艺成型，耐温1500℃以上，外部有隔热保温层，球形化炉下部设有与球形化炉连通的冷气管，其尺寸以能够保证石英微粉熔融即可。

冷水从水冷装置8的进水口9进入，从出水口10流出，冷空气经冷气管11喷入球形化炉6内，使熔融、球形化的高温液滴迅速、充分冷却，从而避免微粉的重新结晶，获得非晶态的球形石英粉。

冷却后得到的非晶态球形石英粉经过重力沉降器12，收集到粒径较大的球形颗粒，然后经过旋风收集器13和布袋收集器14收集粒径较小的颗粒，从而得到高纯度超细球形石英粉，最后将气体在抽风机15的作用下导入水槽16中。

以下实施例制备高纯度超细球形石英粉的方法为：

(1)对石英微粉进行提纯和分级，制得纯度不低于99.80％且粒度为2～60μm的角形石英微粉原料；

(2)采用氮气或氧气为送粉载气，将角形石英微粉从火焰燃烧器轴向引入温度不低于1750℃的火焰中加热、加速，然后石英微粉进入球形化炉进一步加热、熔融，经过冷却，得到非晶态的球形石英粉；

(3)对非晶态的球形石英粉进行分级、收集，最后得到高纯度超细球形石英粉。(如采用重力收集、旋风收集和布袋收集的方式对球形石英粉进行分级、收集)

实施例1

以SiO₂含量为99.92％、中径粒度为5μm的角形石英粉为原料、液化气(LPG)为燃气，氧气为助燃气，氧气为送粉载气，调节氧气、LPG的压力和流量后点火，球形化炉预热(一般预热温度不低于1500℃即可)50min，送粉速率为300g/min。采用重量法分析产品中SiO₂含量、激光粒度仪测试粒度以及对产品进行SEM和XRD分析，所得球形石英粉中SiO₂含量为99.84％，中径粒度为2.2μm，球形化率为99％，非晶率为99％。

实施例2

以SiO₂含量为99.96％、中径粒度为10μm的角形石英粉为原料、乙炔为燃气、氧气为助燃气、氧气为送粉载气、调节氧气、乙炔的压力和流量后点火，球形化炉预热50min，送粉速率为50g/min。按与实施例1相同的方法进行分析，获得SiO₂含量为99.90％、中径粒度为5.3μm、球形化率为97％、非晶率为98％的球形石英粉。

实施例3

以SiO₂含量为99.88％、中径粒度为20μm的角形石英粉为原料、LPG为燃气，氧气为助燃气，氧气为送粉载气，调节氧气、LPG的压力和流量后点火，球形化炉预热50min，送粉速率为100g/min。按与实施例1相同的方法进行分析，获得SiO₂含量为99.84％、中径粒度为11μm、球形化率为94％、非晶率为100％的球形石英粉(其SEM图如图2所示)。

实施例4

以SiO₂含量为99.92％、中径粒度为60μm的角形石英粉为原料、天然气为燃气，氧气为助燃气，氧气为送粉载气，调节氧气、天然气的压力和流量后点火，球形化炉预热50min，送粉速率为15g/min。经球化、骤冷、重力收集、旋风收集和布袋收集。按与实施例1相同的方法进行分析，获得球形化率为90％、中径粒度为28.6μm的球形石英粉，球形化率为92％、中径粒度为19.4μm的球形石英粉和球形化率为94％、中径粒度为11.5μm的球形石英粉。上述三种球形石英粉的SiO₂含量均为99.88％、非晶率均为100％。

以上实施例中火焰燃烧器的助燃气为氧气；燃气可以选用选用乙炔、天然气或液化气，但不限于上述然气，只要燃烧产生的火焰温度不低于1750℃即可。