球形矽微粉技術

球形矽微粉技術是以價格低廉的天然優質粉石英礦物為基本原料，現採用兩種主要工藝製成：1、採用溶膠-凝膠技術，在分散劑和球形催化劑存在的條件下，製備出符合電子封裝材料要求的高純球形納米非晶態矽微粉；2、採用火焰法或離子火焰法熔融成球型的非晶態矽微粉。目前在高端用戶市場，如積體電路封裝都採用第二種工藝製成。

成都理工大學自行研製的“一種用天然粉石英製備高純球形納米非晶態矽微粉的方法”，獲得國家知識產權局專利申請。製備球形矽微粉的方法還有交流高頻電漿熔融法、氣體燃燒火焰法以及高溫熔融噴射法。

基本介紹

• 中文名：球形矽微粉技術
• 原料：天然優質粉石英礦物
• 方法：採用溶膠-凝膠技術、採用火焰法
• 用途：大規模積體電路封裝、航空、航天

發展狀況

為打破國外對我國球形矽微粉生產技術與專用設備的嚴密封鎖，“十五”以來，我國有20多家研究單位先後對該技術裝備進行了攻關，並取得了突破性進展。中科院過程工程研究所研製成功高純球形矽微粉製備新工藝；湖北省建材研究設計院與清華大學材料系合作開展高純超細球形化矽微粉研究已通過省級鑑定；武漢大學採用化學合成技術製備球形矽微粉，技術指標達到日本NipponShokuba公司KE-P系列產品的水平；湖北武漢帥爾光電子粉體新材料有限公司研製的超大規模積體電路封裝料用球形矽微粉項目和四川省綿陽市三慧矽質材料有限公司研製的高純超細球形矽微粉成型技術項目，均列入2003年國家科技創新基金項目；雲南超微新材料有限責任公司研製的高溫熔融方法生產球形熔融矽微粉項目，進入2004年國家新材料高技術產業化專項；海南省地質勘查局粉體材料工程技術研究中心以精選的結晶型石英砂為原料，成功製成球形矽微粉，產品適用於電子塑封材料；2005年8月，江蘇省連雲港市晶瑞石英工業開發研究院承擔的高頻等離子製備球形矽微粉關鍵技術及產品，通過了部級鑑定，並已建成50噸/年中試生產線，技術水平國內領先，產品主要性能達到國際先進水平。2007年四川省雅安百圖高新材料公司建成高溫熔融離子火焰法生產球形熔融矽微粉年產2000噸項目.

2008年3月，連雲港東海矽微粉有限責任公司承擔的微米級積體電路用化學合成球型矽微粉項目，通過江蘇省科技廳主持的科技成果鑑定，打破了國外在化學合成球型矽微粉領域的壟斷地位，技術和工藝設備達到國際先進水平，填補了國內空白。7月份，中國凱盛國際工程有限公司與蚌埠玻璃工業設計研究院聯合研發的高純球形石英粉產品工業化製備技術及專用生產設備開發項目通過鑑定，其技術、設備為國內首創，產品的球形化率、玻璃化率和分散性等主要技術指標達到國際先進水平，實現工業化連續穩定生產，並已形成450噸/年的生產規模，產品可替代進口。

我國盛產石英，並且礦源分布較廣，全國範圍內的大小矽微粉廠近百家，基本上都屬於鄉鎮企業。這些生產企業大多規模小、品種單一，採用非礦工業的常規加工設備，在工藝過程中缺乏系統的控制手段，致使矽微粉產品的純度、粒度以及產品質量穩定性差，無法與進口產品抗衡。這些企業中真正能夠生產高純、超微矽微粉的很少，主要分布於江蘇連雲港東海縣和徐州、浙江湖州以及河北、青海等地，其主打產品集中在800目以下，使用領域一般為冶金、陶瓷、電工產品填料以及電子分立元件的封裝等。為搶占高端市場，近年來國內有眼光的企業紛紛上馬建設球形矽微粉項目。

山西長治莊益通矽業有限公司的電子級球形矽微粉項目，屬國家863重點科研攻關項目，總投資5200萬元，2008年上半年投產，年產電子級球形矽微粉1000噸；重慶錦藝矽材料開發有限公司首期5萬噸矽微粉項目2008年7月1日投產，“十一五”期間將建成年產20萬噸矽微粉、5000噸球形矽微粉、2000噸多晶矽生產線為核心項目的西部矽產業基地；黑龍江省通河縣寶通石英產品有限公司引進江蘇省連雲港市晶瑞石英工業開發研究院開發的高頻等離子製備球形矽微粉關鍵技術，總投資8700萬元，年產球形矽微粉1000噸，2008年8月份已完成前期準備工作；江西遂川縣招商局計畫總投資逾1億元，興建高純和球形矽微粉加工廠及生產線5條，形成年產高純和球形矽微粉4000噸的能力；湖北荊化實業股份有限公司引進武漢大學最新研製的低應力環氧塑封料球形矽微粉技術，將形成4000噸/年生產能力。

用途及性能

球形矽微粉主要用於大規模積體電路封裝，在航空、航天、精細化工、可擦寫光碟、大面積電子基板、特種陶瓷及日用化妝品等高新技術領域也有套用，市場前景廣闊。專家預計，到2010年僅我國對球形矽微粉的需求即達2萬～3萬噸，高純矽微粉為10萬噸，年均增長率均超過20%。世界對球形矽微粉的需求量將超過30萬噸，價值數百億元。隨著我國微電子工業的迅猛發展，大規模、超大規模積體電路對封裝材料的要求越來越高，不僅要求其超細，而且要求高純度，特別是對於顆粒形狀提出球形化要求。但製備球形矽微粉是一項跨學科高難度工程，目前世界上只有美國、日本、德國、加拿大和俄羅斯等少數國家掌握此技術。眾所周知，目前國內採購的球形球形氧化矽主要來自於日本、韓國，進口的球形球形氧化矽價格高，且運輸周期長。國內生產的高質量球形球形氧化矽，具有本土化優勢，完全可以替代進口。

球形矽微粉主要用於大規模積體電路封裝，在航空、航天、精細化工、可擦寫光碟、大面積電子基板、特種陶瓷及日用化妝品等高新技術領域也有套用，它在環氧樹脂體系中作為填料後，可節約大量的環氧樹脂。

球形粉的主要用途及性能

為什麼要球形化？首先，球的表面流動性好，與樹脂攪拌成膜均勻，樹脂添加量小，並且流動性最好，粉的填充量可達到最高，重量比可達90.5%，因此，球形化意味著矽微粉填充率的增加，矽微粉的填充率越高，其熱膨脹係數就越小，導熱係數也越低，就越接近單晶矽的熱膨脹係數，由此生產的電子元器件的使用性能也越好。其次，球形化製成的塑封料應力集中最小，強度最高，當角形粉的塑封料應力集中為1時，球形粉的應力僅為0.6，因此，球形粉塑封料封裝積體電路晶片時，成品率高，並且運輸、安裝、使用過程中不易產生機械損傷。其三，球形粉摩擦係數小，對模具的磨損小，使模具的使用壽命長，與角形粉的相比，可以提高模具的使用壽命達一倍，塑封料的封裝模具價格很高，有的還需要進口，這一點對封裝廠降低成本，提高經濟效益也很重要。

球形矽微粉，主要用於大規模和超大規模積體電路的封裝上，根據集程度（每塊積體電路標準元件的數量）確定是否球形矽微粉，當集程度為1M到4M時，已經部分使用球形粉，8M到16M集程度時，已經全部使用球形粉。250M集程度時，積體電路的線寬為0.25μm，當1G集程度時，積體電路的線寬已經小到0.18μm，目前計算機PⅣ 處理器的CPU晶片，就達到了這樣的水平。這時所用的球形粉為更高檔的，主要使用多晶矽的下腳料製成正矽酸乙脂與四氯化矽水解得到SiO2，也製成球形其顆粒度為 -（10～20）μm可調。這種用化學法合成的球形矽微粉比用天然的石英原料製成的球形粉要貴10倍，其原因是這種粉基本沒有放射性α射線污染，可做到0.02PPb以下的鈾含量。當集程度大時，由於超大規模積體電路間的導線間距非常小，封裝料放射性大時積體電路工作時會產生源誤差，會使超大規模積體電路工作時可靠性受到影響，因而必須對放射性提出嚴格要求。而天然石英原料達到(0.2～0.4) PPb就為好的原料。現在國內使用的球形粉主要是天然原料製成的球形粉，並且也是進口粉。
一般積體電路都是用光刻的方法將電路集中刻制在單晶矽片上，然後接好連線引線和管角，再用環氧塑封料封裝而成。塑封料的熱膨脹率與單晶矽的越接近，積體電路的工作熱穩定性就越好。單晶矽的熔點為1415℃，膨脹係數為3.5PPM，熔融石英粉的為(0.3～0.5)PPM，環氧樹脂的為(30～50)PPM，當熔融球形石英粉以高比例加入環氧樹脂中製成塑封料時，其熱膨脹係數可調到8PPM左右，加得越多就越接近單晶矽片的，也就越好。而結晶粉俗稱生粉的熱膨脹係數為60PPM，結晶石英的熔點為1996℃，不能取代熔融石英粉(即熔融矽微粉)，所以中高檔積體電路中不用球形粉時，也要用熔融的角形矽微粉。這也是高檔球形粉想用結晶粉整形為近球形不能成功的原因所在。80年代日本也走過這條路，效果不行，走不通；10年前，包括現在我國還有人走這條路，從以上理論證明此種方法是不行的。即高檔塑封料粉不能用結晶粉取代。

是用熔融石英（即高純石英玻璃），還是用結晶石英，哪一種為原料生產高純球形石英粉為好？根據試驗，專家認為：這個題已經十分清楚，用天然石英SiO2，高溫熔融噴射制球，可以製得完全熔融的球形石英粉。用天然結晶石英製成粉，然後分散後用等離子火焰製成的球就是熔融的球，用火焰燒粉製得的球，表面光滑，體積也有收縮，更好用，日本提供的這種粉，用X射線光譜分析譜線完全是平的，也是全熔融球形石英粉，而國內電熔融的石英，如連雲港的熔融石英光譜分析不定型含量為95%，譜線仍能看出有尖峰，仍有5%未熔融。由此可見，生產球形石英粉，只要純度能達到要求，以天然結晶石英為原料最好，其生產成本最低，工藝路線更簡捷。

國內外現狀

本項生產技術國外80年代初已經有專利申報。90年代初我國開始引進使用球形矽微粉。

目前，可以生產這種高純球形矽微粉材料主要國家是日本和美國，日本現在主要有六家公司生產球形矽微粉，是球形矽微粉的主要出口國,Admatechs,Micron,Denka,Tatsumori,Tokai......,美國一家，C-E,韓國一家Kosem。

日本和韓國是資源貧乏國家，所以他們的原料和能源大多需要進口，石英，天然氣等。日本的石英原料主要來源於，印度，中國，斯里蘭卡。韓國的石英原料主要來源於，印度，中國。日本的石英原料主要是結晶石英，韓國的石英原料主要是熔融石英。