球形硅微粉技术

球形硅微粉生产技术
球形硅微粉技术是以价格低廉的天然优质粉石英矿物为基本原料，现采用两种主要工艺制成：1、采用溶胶-凝胶技术，在分散剂和球形催化剂存在的条件下，制备出符合电子封装材料要求的高纯球形纳米非晶态硅微粉；2、采用火焰法或离子火焰法熔融成球型的非晶态硅微粉。在高端用户市场，如集成电路封装都采用第二种工艺制成。
成都理工大学自行研制的“一种用天然粉石英制备高纯球形纳米非晶态硅微粉的方法”，获得国家知识产权局专利申请。制备球形硅微粉的方法还有交流高频等离子体熔融法、气体燃烧火焰法以及高温熔融喷射法。
发展状况
为打破国外对我国球形硅微粉生产技术与专用设备的严密封锁，“十五”以来，我国有20多家研究单位先后对该技术装备进行了攻关，并取得了突破性进展。中科院过程工程研究所研制成功高纯球形硅微粉制备新工艺；湖北省建材研究设计院与清华大学材料系合作开展高纯超细球形化硅微粉研究已通过省级鉴定；武汉大学采用化学合成技术制备球形硅微粉，技术指标达到日本NipponShokuba公司KE-P系列产品的水平；湖北武汉帅尔光电子粉体新材料有限公司研制的超大规模集成电路封装料用球形硅微粉项目和四川省绵阳市三慧硅质材料有限公司研制的高纯超细球形硅微粉成型技术项目，均列入2003年国家科技创新基金项目；云南超微新材料有限责任公司研制的高温熔融方法生产球形熔融硅微粉项目，进入2004年国家新材料高技术产业化专项；海南省地质勘查局粉体材料工程技术研究中心以精选的结晶型石英砂为原料，成功制成球形硅微粉，产品适用于电子塑封材料；2005年8月，江苏省连云港市晶瑞石英工业开发研究院承担的高频等离子制备球形硅微粉关键技术及产品，通过了部级鉴定，并已建成50吨/年中试生产线，技术水平国内领先，产品主要性能达到国际先进水平。2007年四川省雅安百图高新材料公司建成高温熔融离子火焰法生产球形熔融硅微粉年产2000吨项目.
2008年3月，连云港东海硅微粉有限责任公司承担的微米级集成电路用化学合成球型硅微粉项目，通过江苏省科技厅主持的科技成果鉴定，打破了国外在化学合成球型硅微粉领域的垄断地位，技术和工艺设备达到国际先进水平，填补了国内空白。7月份，中国凯盛国际工程有限公司与蚌埠玻璃工业设计研究院联合研发的高纯球形石英粉产品工业化制备技术及专用生产设备开发项目通过鉴定，其技术、设备为国内首创，产品的球形化率、玻璃化率和分散性等主要技术指标达到国际先进水平，实现工业化连续稳定生产，并已形成450吨/年的生产规模，产品可替代进口。
我国盛产石英，并且矿源分布较广，全国范围内的大小硅微粉厂近百家，基本上都属于乡镇企业。这些生产企业大多规模小、品种单一，采用非矿工业的常规加工设备，在工艺过程中缺乏系统的控制手段，致使硅微粉产品的纯度、粒度以及产品质量稳定性差，无法与进口产品抗衡。这些企业中真正能够生产高纯、超微硅微粉的很少，主要分布于江苏连云港东海县和徐州、浙江湖州以及河北、青海等地，其主打产品集中在800目以下，使用领域一般为冶金、陶瓷、电工产品填料以及电子分立元件的封装等。为抢占高端市场，近年来国内有眼光的企业纷纷上马建设球形硅微粉项目。
山西长治庄益通硅业有限公司的电子级球形硅微粉项目，属国家863重点科研攻关项目，总投资5200万元，2008年上半年投产，年产电子级球形硅微粉1000吨；重庆锦艺硅材料开发有限公司首期5万吨硅微粉项目2008年7月1日投产，“十一五”期间将建成年产20万吨硅微粉、5000吨球形硅微粉、2000吨多晶硅生产线为核心项目的西部硅产业基地；黑龙江省通河县宝通石英产品有限公司引进江苏省连云港市晶瑞石英工业开发研究院开发的高频等离子制备球形硅微粉关键技术，总投资8700万元，年产球形硅微粉1000吨，2008年8月份已完成前期准备工作；江西遂川县招商局计划总投资逾1亿元，兴建高纯和球形硅微粉加工厂及生产线5条，形成年产高纯和球形硅微粉4000吨的能力；湖北荆化实业股份有限公司引进武汉大学最新研制的低应力环氧塑封料球形硅微粉技术，将形成4000吨/年生产能力。
用途及性能
球形硅微粉主要用于大规模集成电路封装，在航空、航天、精细化工、可擦写光盘、大面积电子基板、特种陶瓷及日用化妆品等高新技术领域也有应用，市场前景广阔。专家预计，到2010年仅我国对球形硅微粉的需求即达2万～3万吨，高纯硅微粉为10万吨，年均增长率均超过20%。世界对球形硅微粉的需求量将超过30万吨，价值数百亿元。随着我国微电子工业的迅猛发展，大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求越来越高，不仅要求其超细，而且要求高纯度，特别是对于颗粒形状提出球形化要求。但制备球形硅微粉是一项跨学科高难度工程，世界上只有美国、日本、德国、加拿大和俄罗斯等少数国家掌握此技术。众所周知，国内采购的球形球形氧化硅主要来自于日本、韩国，进口的球形球形氧化硅价格高，且运输周期长。国内生产的高质量球形球形氧化硅，具有本土化优势，完全可以替代进口。
球形硅微粉主要用于大规模集成电路封装，在航空、航天、精细化工、可擦写光盘、大面积电子基板、特种陶瓷及日用化妆品等高新技术领域也有应用，它在环氧树脂体系中作为填料后，可节约大量的环氧树脂。
球形粉的主要用途及性能
为什么要球形化？首先，球的表面流动性好，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，重量比可达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，其热膨胀系数就越小，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。其次，球形化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。其三，球形粉摩擦系数小，对模具的磨损小，使模具的使用寿命长，与角形粉的相比，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，提高经济效益也很重要。
球形硅微粉，主要用于大规模和超大规模集成电路的封装上，根据集程度（每块集成电路标准元件的数量）确定是否球形硅微粉，当集程度为1M到4M时，已经部分使用球形粉，8M到16M集程度时，已经全部使用球形粉。250M集程度时，集成电路的线宽为0.25μm，当1G集程度时，集成电路的线宽已经小到0.18μm，计算机PⅣ 处理器的CPU芯片，就达到了这样的水平。这时所用的球形粉为更高档的，主要使用多晶硅的下脚料制成正硅酸乙脂与四氯化硅水解得到SiO2，也制成球形其颗粒度为 -（10～20）μm可调。这种用化学法合成的球形硅微粉比用天然的石英原料制成的球形粉要贵10倍，其原因是这种粉基本没有放射性α射线污染，可做到0.02PPb以下的铀含量。当集程度大时，由于超大规模集成电路间的导线间距非常小，封装料放射性大时集成电路工作时会产生源误差，会使超大规模集成电路工作时可靠性受到影响，因而必须对放射性提出严格要求。而天然石英原料达到(0.2～0.4) PPb就为好的原料。国内使用的球形粉主要是天然原料制成的球形粉，并且也是进口粉。
一般集成电路都是用光刻的方法将电路集中刻制在单晶硅片上，然后接好连接引线和管角，再用环氧塑封料封装而成。塑封料的热膨胀率与单晶硅的越接近，集成电路的工作热稳定性就越好。单晶硅的熔点为1415℃，膨胀系数为3.5PPM，熔融石英粉的为(0.3～0.5)PPM，环氧树脂的为(30～50)PPM，当熔融球形石英粉以高比例加入环氧树脂中制成塑封料时，其热膨胀系数可调到8PPM左右，加得越多就越接近单晶硅片的，也就越好。而结晶粉俗称生粉的热膨胀系数为60PPM，结晶石英的熔点为1996℃，不能取代熔融石英粉(即熔融硅微粉)，所以中高档集成电路中不用球形粉时，也要用熔融的角形硅微粉。这也是高档球形粉想用结晶粉整形为近球形不能成功的原因所在。80年代日本也走过这条路，效果不行，走不通；10年前，包括我国还有人走这条路，从以上理论证明此种方法是不行的。即高档塑封料粉不能用结晶粉取代。
是用熔融石英（即高纯石英玻璃），还是用结晶石英，哪一种为原料生产高纯球形石英粉为好？根据试验，专家认为：这个题已经十分清楚，用天然石英SiO2，高温熔融喷射制球，可以制得完全熔融的球形石英粉。用天然结晶石英制成粉，然后分散后用等离子火焰制成的球就是熔融的球，用火焰烧粉制得的球，表面光滑，体积也有收缩，更好用，日本提供的这种粉，用X射线光谱分析谱线完全是平的，也是全熔融球形石英粉，而国内电熔融的石英，如连云港的熔融石英光谱分析不定型含量为95%，谱线仍能看出有尖峰，仍有5%未熔融。由此可见，生产球形石英粉，只要纯度能达到要求，以天然结晶石英为原料最好，其生产成本最低，工艺路线更简捷。
国内外现状
本项生产技术国外80年代初已经有专利申报。90年代初我国开始引进使用球形硅微粉。
可以生产这种高纯球形硅微粉材料主要国家是日本和美国，日本主要有六家公司生产球形硅微粉，是球形硅微粉的主要出口国,Admatechs,Micron,Denka,Tatsumori,Tokai......,美国一家，C-E,韩国一家Kosem。
日本和韩国是资源贫乏国家，所以他们的原料和能源大多需要进口，石英，天然气等。日本的石英原料主要来源于，印度，中国，斯里兰卡。韩国的石英原料主要来源于，印度，中国。日本的石英原料主要是结晶石英，韩国的石英原料主要是熔融石英。