高純硅(gui)微粉球(qiu)形化是一項跨學科的(de)(de)高難度(du)工程，其技(ji)(ji)術(shu)關鍵是穩定(ding)連續的(de)(de)送粉系統、加熱裝置要(yao)求有(you)穩定(ding)的(de)(de)溫度(du)場、易于調節的(de)(de)溫度(du)范(fan)圍、不對硅(gui)微粉造成二(er)次污染的(de)(de)清潔熱源環境、粘稠的(de)(de)石英熔融霧滴的(de)(de)高效(xiao)率冷(leng)卻與回收。目前(qian)，世(shi)界(jie)上只有(you)日本、美國、中國、加拿大(da)、德國和(he)俄羅斯等少數國家掌握(wo)此技(ji)(ji)術(shu)。

1.

國外硅微粉(fen)高溫球形化研究現(xian)狀

上世(shi)紀80年代，國(guo)外的(de)一些(xie)研(yan)究(jiu)機構如美國(guo)的(de)加州大(da)學、洛斯阿拉莫斯國(guo)家實驗室、加拿大(da)的(de)舍布(bu)魯(lu)克大(da)學、日(ri)本(ben)(ben)東京大(da)學、日(ri)本(ben)(ben)清(qing)源研(yan)究(jiu)院(yuan)等已經(jing)開始球形硅(gui)微粉的(de)研(yan)究(jiu)，一些(xie)公司(si)如美國(guo)的(de)Basf公司(si)、美國(guo)通(tong)用公司(si)、德國(guo)的(de)德固賽(sai)公司(si)、比(bi)利時(shi)的(de)矽比(bi)科(ke)（Sibelco）、加拿大(da)的(de)Tekna公司(si)、日(ri)本(ben)(ben)的(de)Admatechs公司(si)、日(ri)本(ben)(ben)電(dian)氣化(hua)學工業公司(si)、Nippon Aeosil公司(si)、川(chuan)崎鋼(gang)鐵、日(ri)本(ben)(ben)龍森（Tatsumori）、東芝(zhi)熔融、信越化(hua)學工業株式會社已經(jing)有(you)相(xiang)關(guan)專利申報并投入生產。

目前，國(guo)際(ji)上研究、生產球形硅(gui)(gui)微(wei)粉的國(guo)家主要是美國(guo)和(he)日本，生產技術包(bao)括二(er)氧化硅(gui)(gui)高(gao)(gao)溫熔融噴射法(fa)(fa)(fa)、高(gao)(gao)頻(pin)感應(ying)等(deng)離子法(fa)(fa)(fa)、直流等(deng)離子法(fa)(fa)(fa)、氣體火(huo)焰法(fa)(fa)(fa)和(he)控制正硅(gui)(gui)酸乙酷、四氯化硅(gui)(gui)的水解法(fa)(fa)(fa)等(deng)。

（1）日本

早在上世紀八十年(nian)(nian)代，日本(ben)就開(kai)始(shi)著(zhu)手開(kai)發球(qiu)(qiu)形(xing)硅微(wei)粉(fen)制(zhi)備工藝，并申請了(le)大(da)量的(de)(de)(de)火焰法制(zhi)備球(qiu)(qiu)形(xing)硅微(wei)粉(fen)的(de)(de)(de)專利。九十年(nian)(nian)代初進行(xing)試生產并開(kai)始(shi)應用于大(da)規模(mo)集成電(dian)路的(de)(de)(de)塑(su)封料；到(dao)1999年(nian)(nian)底日本(ben)已有年(nian)(nian)產球(qiu)(qiu)形(xing)石英微(wei)粉(fen)近萬噸的(de)(de)(de)生產能力，除(chu)本(ben)國使用外，還大(da)量出口(kou)。以日本(ben)電(dian)氣化學株式(shi)會(hui)社、日本(ben)龍森為主(zhu)的(de)(de)(de)一批企業已大(da)批量生產球(qiu)(qiu)形(xing)硅微(wei)粉(fen)并運用到(dao)航天、超大(da)屏幕電(dian)子(zi)顯像(xiang)和大(da)規模(mo)集成電(dian)路中。

▼日本(ben)龍森球形硅微粉部分參數注：由于(yu)該技術涉及高性(xing)能(neng)計算機技術的開發(fa)，國外(wai)對(dui)球形化技術高度(du)保密，其提供的參數指標也不(bu)完整。

火(huo)焰(yan)法(fa)采(cai)用天然氣、乙炔氣、氫氣等工業燃料氣體為熱(re)源(yuan)，主要(yao)涉及熱(re)力學(xue)(xue)、流體力學(xue)(xue)、顆粒流體力學(xue)(xue)等方(fang)面的理論，與等離(li)子體方(fang)法(fa)相比，不再涉及電磁學(xue)(xue)理論及粒子在電磁場(chang)中的運動問(wen)題(ti)，使得研究和生(sheng)(sheng)產(chan)控制更趨簡化。因(yin)此(ci)，火(huo)焰(yan)法(fa)生(sheng)(sheng)產(chan)球形硅(gui)微(wei)粉更易實現大(da)規模(mo)工業化生(sheng)(sheng)產(chan)，更具發展前(qian)途。

（2）美國

據調研，美國產的(de)球形硅微(wei)粉(fen)主要是采用高(gao)溫(wen)熔(rong)(rong)融噴射球形化法生產的(de)。該(gai)工藝是將(jiang)高(gao)純度(du)石英在2100-2500℃下熔(rong)(rong)融為石英液體，經過噴霧、冷(leng)卻后得到(dao)球形硅微(wei)粉(fen)，該(gai)法制備的(de)球形硅微(wei)粉(fen)球形度(du)好、表面光滑、球形化率和非晶(jing)形率均(jun)可(ke)達到(dao)。

高溫(wen)熔融(rong)噴(pen)射球形化(hua)法中的(de)難點(dian)主要包括耐(nai)熔融(rong)石英液(ye)體(ti)的(de)高溫(wen)材料、粘稠的(de)石英熔融(rong)液(ye)體(ti)的(de)霧化(hua)系(xi)統以及(ji)霧化(hua)系(xi)統對(dui)樣品的(de)污染問(wen)題。

▼美國(guo)斯(si)坦(tan)福研究院粉(fen)(fen)體中心球(qiu)形硅微粉(fen)(fen)指標

注：此表為電(dian)子(zi)封裝材料(liao)用硅(gui)微(wei)粉的技術要求，其中，A用于(yu)大(da)規模集(ji)成(cheng)電(dian)路，B用于(yu)超大(da)規模集(ji)成(cheng)電(dian)路。

（3）加拿大

加拿大TEKNA等離子(zi)系統公(gong)司的感應等離子(zi)微粉顆粒球(qiu)形化系統處(chu)于地位，并申請了(le)全球(qiu)專(zhuan)利，此技術主要有以下幾(ji)個(ge)方面的優勢(shi)：

，高(gao)頻感應(ying)等離子炬沒有電極，不用考(kao)慮(lv)對樣品(pin)的(de)污(wu)染(ran)問題；

第二，由于這(zhe)種空心圓筒構造(zao)，預處理的(de)微粉材料(liao)或(huo)液相(xiang)原料(liao)乃至氣相(xiang)原料(liao)，可(ke)以從(cong)軸向引入(ru)，這(zhe)點對(dui)于充(chong)分促進高(gao)溫等離(li)子體和(he)材料(liao)之間的(de)熱傳導是(shi)非常有利的(de)；

第三，感(gan)應熱等離子體(ti)的體(ti)積(ji)比(bi)較大，溫度梯度比(bi)直(zhi)流電(dian)弧等離子體(ti)小，即均(jun)勻(yun)性好；

第(di)四，感(gan)應炬管不但可(ke)以達到5000-10000K的(de)高(gao)(gao)溫，而(er)且高(gao)(gao)頻感(gan)應等(deng)離子(zi)的(de)焰流速度更(geng)低(di)從而(er)延長微(wei)粉(fen)在高(gao)(gao)溫區停留的(de)時(shi)間，保證了微(wei)粉(fen)在高(gao)(gao)溫區充分(fen)熔化(hua)甚至氣化(hua)，足以制得球(qiu)形(xing)(xing)化(hua)率高(gao)(gao)的(de)微(wei)粉(fen)。世界上很(hen)多(duo)的(de)科研院所都在利(li)用等(deng)離子(zi)法進行球(qiu)形(xing)(xing)粉(fen)末研究。

2.

國內硅微(wei)粉高溫球形化研究現狀

 由于硅(gui)微粉球形化技術(shu)涉及高性能(neng)芯片(pian)技術(shu)的開(kai)發，國(guo)(guo)外對此高度保密，使得我國(guo)(guo)硅(gui)微粉球形化技術(shu)發展較為(wei)緩慢。近年(nian)來，以華飛電子、聯瑞(rui)新材為(wei)的少數國(guo)(guo)內企業(ye)突破國(guo)(guo)外技術(shu)封(feng)鎖，逐漸掌握高純、小粒度球形硅(gui)微粉的生產技術(shu)。

（1）火焰法

目前，國內硅微粉球形(xing)化(hua)技(ji)術主(zhu)要(yao)(yao)包括(kuo)射(she)頻等離子(zi)球形(xing)化(hua)法(fa)、直(zhi)流電(dian)(dian)弧(hu)等離子(zi)球形(xing)化(hua)法(fa)、碳極電(dian)(dian)弧(hu)加熱球形(xing)化(hua)法(fa)以(yi)及化(hua)學合成(cheng)法(fa)等。其中工業生(sheng)產方面主(zhu)要(yao)(yao)是利用火(huo)焰成(cheng)球法(fa)來(lai)生(sheng)產球形(xing)硅微粉。該技(ji)術的(de)關鍵(jian)是加熱裝置要(yao)(yao)求有(you)穩(wen)定的(de)溫度(du)場、易于(yu)調節溫度(du)范圍以(yi)及不要(yao)(yao)對硅微粉造(zao)成(cheng)二次(ci)污染。

▼國內某公司火焰成(cheng)球法生(sheng)產(chan)球形硅(gui)微粉工藝(yi)

（2）等離(li)子體法

中(zhong)國科學院過程所(suo)袁方利等(deng)(deng)開發了射頻等(deng)(deng)離(li)子體法制備球形(xing)硅微粉技術。首先建立(li)穩定的氮-空氣(qi)等(deng)(deng)離(li)子弧，然后(hou)利用N2為載氣(qi)將原料粉體經加(jia)料引入等(deng)(deng)離(li)子電弧中(zhong)，粉體顆粒在弧中(zhong)吸(xi)收大(da)量的熱而迅速融(rong)化，并以極高的飛行(xing)速度進入反應器(qi)，冷卻(que)凝固后(hou)收集。

在該工藝中(zhong)，通過調節N2的(de)流量(liang)來(lai)控制原料(liao)的(de)進(jin)料(liao)速度(du)(du)，石(shi)英粉體(ti)球形化后，顆粒球形度(du)(du)很高，表(biao)面(mian)光滑。

▼高(gao)溫法制備球形(xing)硅微粉工藝(yi)流程

高(gao)(gao)頻感應等(deng)離(li)子法采用(yong)的(de)是(shi)軸(zhou)向內送(song)粉，延(yan)長(chang)了樣品(pin)在(zai)等(deng)離(li)子焰流中的(de)停(ting)留(liu)時間；另外，高(gao)(gao)頻感應設備(bei)(bei)不(bu)存(cun)在(zai)電極揮(hui)發對(dui)樣品(pin)的(de)污染問題；還(huan)有感應設備(bei)(bei)的(de)反應腔內溫度(du)高(gao)(gao)達30000K，更容易(yi)實(shi)現微(wei)粉球形化。但是(shi)，高(gao)(gao)頻等(deng)離(li)子能耗高(gao)(gao)、溫度(du)場小而集(ji)中、溫度(du)范(fan)圍難(nan)以控(kong)制，很難(nan)形成規模(mo)生產能力。

盡管(guan)近年(nian)來中國(guo)球(qiu)形硅微粉生產(chan)技術取得(de)明顯進步，但純度、粒度以及產(chan)品質量穩定(ding)性與國(guo)外(wai)(wai)產(chan)品比(bi)較(jiao)還存在(zai)一定(ding)的差距(ju)，每年(nian)還需從國(guo)外(wai)(wai)進口(kou)大部分的球(qiu)形硅微粉產(chan)品。