CN109665533B - 一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，包括微粉料仓、雾化装置、高温熔化炉与聚冷却料仓、成品仓和除尘***。所述雾化装置包括雾化器和压缩空气通道；微粉料仓出料口通过导管连接到雾化器，该导管接入压缩空气通道。高温熔化炉的上端设置有雾化器，下端连接到聚冷却仓。聚冷却仓下端连接成品仓，下端侧面连接除尘***。利用本装置生产的球形硅微粉纯度高并可通过参数调节实现粒径控制。

Description

一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置和方法

技术领域

本发明属于非金属矿深加工技术领域，具体涉及一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置和方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，人们对微电子元件的质量要求越来越高，使得硅微粉质量要求也越来越高。全球集成电路（IC）封装材料的97%采用环氧塑封料（EMC），而在EMC的组成中，除主料酚醛环氧树脂外，硅微粉是用量最多的填料。硅微粉填料占环氧模塑料重量比达70%-90%。所以为了高质量的塑封料除了要求硅微粉超细、高纯度、低放射性元素外，还特别要求其颗粒球形化。这是因为：（1）球的表面流动性好，与树脂搅拌成膜均匀，使得树脂的添加量小，硅微粉的填充量达到最高，因此球形化意味着硅微粉填充率的增加，而硅微粉的填充率越高，其膨胀系数就越小，导热系数也越低，也就越接近单晶硅的热膨胀系数，由此产生的电子元器件的使用性能也越好；（2）与角形硅微粉制成的塑封料相比，球形塑封料盈利集中最小、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，由此制成的微电子器件成品率高，便于运输、安装，并且在使用过程中不易产生机械损伤；（3）相比于角形硅微粉，球形粉摩擦系数小，对模具的磨损小，使得模具的使用寿命可提高一倍。（阮建军《球形硅微粉的研究进展》和李俊、蒋述兴《球形硅微粉》）。

目前，我国所需要的高质量球形硅微粉部分还依赖进口，如何制备高纯、超细的球形硅微粉仍是国内粉体研究热点。现阶段球形硅微粉的制备方法主要包括物理法和化学法。

1、物理法

1.1、火焰成球法：火焰成球法首先对石英进行粉碎、筛分、提纯等前处理，然后将石英微粉送入燃气-氧气产生的高温场中，进行高温熔融、冷却成球，最终形成高纯度球形硅微粉。

具体可采用乙炔气、氢气、天然气等工业燃料气体作为熔融粉体的洁净无污染火焰为热源，此种方法涉及热力学、流体力学、颗粒流体力学等方面的理论。与等离子体高温火焰相比，不涉及电磁学理论及离子在电磁场中流动和运动的问题，生产易控制，易实现工业化大规模生产，是一种具有发展前途的生产工艺。

该方法的缺点在于：工业燃气--乙炔气和天然气在燃烧的过程中也会给产品质量带来一定的污染。氢气在使用过程中危险系数大。目前还未见该方法在工业上大规模、成熟的应用报道。

1.2、高温熔融喷射法：高温熔融喷射法是将高纯度石英在2100-2500℃下熔融为液体，经过喷雾、冷却，得到球形硅微粉。产品表面光滑，球形化率和非晶形率均可达到100％。据调研，美国的球形硅微粉主要采用此法生产的，由于涉及到高性能计算机技术，他们对外严密封锁。高温熔融喷射法易保证球化率和无定形率，但不易解决纯度和雾化粒径调整等问题。目前国内尚未见这方面研究和生产的报道。

1.3、自蔓延低温燃烧法：自蔓延低温燃烧法的工艺流程包括硅酸钠的制备、硅酸溶胶的制备、混合燃烧液的制备、燃烧反应、退火除碳、洗涤处理等步骤。

该技术方法具有的优点如下：

（1）可以以熔融硅微粉为原料，也可以推广至以天然粉石英为原料；（2）工艺简单，无特殊设备要求，操作方便，易于控制，生产成本低；（3）生产过程中使用的材料仅包含极易溶于水的钠离子和硝酸根离子，不会引入其他杂质离子，有利于高纯硅微粉的制备。

缺点在于：目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。

1.4、等离子体法：等离子体法的基本原理是利用等离子矩的高温区将二氧化硅(SiO₂)粉体熔化，由于液体表面张力的作用形成球形液滴，在快速冷却过程中形成球形化颗粒。此法能量高、传热快、冷却块，所制备的产品形貌可控、纯度高、无团聚。

该方法的缺点：目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。

1.5、高温煅烧球形化：高温煅烧球形化一般用于制备高纯超细球形硅微粉，主要是将矿粉经过煅烧、球磨、磁选和风选等工艺的处理制备高纯超细球形微硅粉。

该方法的优点：高纯超细球形硅微粉不仅球化率高、白度好、含硅量高、含铁铝少，pH值呈中性偏酸性、流动分散性好，膨胀和导热系数小，导电率低，耐腐蚀，生产成本低。

该方法的缺点：该技术目前还处于实验阶段。

2、化学法

2.1、气相法：气相法SiO₂(俗称气相法白炭黑)是由硅的卤化物在高温下水解制得的一种精细、特殊的无定形粉体材料。硅烷卤化物在氢氧燃烧火焰生成的水中发生高温水解反应，温度一般高达1200-1600℃，然后骤冷，再经过聚集、旋风分离、空气喷射脱酸、沸腾床筛选、真空压缩包装等后处理获得成品气相法生成的SiO₂产品纯度高，平均原生粒径为7-40nm，比表面积为50-380m²/g，SiO₂质量分数不小于99.8％。该方法的缺点在于有机物中难以分散且污染环境。

2.2、水热合成法：水热合成法是液相制备纳米粒子的一种常用方法，一般在100-350℃温度和高压环境下，使无机和有机化合物与水化合，通过对加速渗析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再经过滤、洗涤、干燥，得到高纯、超细的微粒子。水热法的优点是可直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需经过锻烧转化成氧化物这一步骤，从而降低了硬团聚的形成几率。

该法的缺点也很明显：受限于反应釜的大小，目前水热法制备SiO₂还处在实验室阶段。

2.3、溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成的氧化物或其他化合物固体的方法。此法的优点是化学均匀性好、颗粒细、纯度高、设备简单，粉体活性高。缺点在于：原材料较贵，颗粒问烧结性差，干燥时收缩性大，易出现团聚问题。

2.4、沉淀法：沉淀法以水玻璃和酸化剂为原料，适时加入表面活性剂，控制反应温度，在沉淀溶液pH值为8时加稳定剂，所得沉淀经洗涤、干燥，煅烧后形成硅微粉。沉淀法生成的SiO₂粒径均匀且成本低，工艺易控制，有利于工业化生产，但存在一定的团聚现象。

2.5、微乳液法：微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成均匀的乳液，使成核、生产、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从乳液中析出固相，形成球形颗粒，避免了颗粒间进一步团聚。利用微乳液法制备SiO₂大多以正硅酸乙酯为硅源，通过正硅酸乙酯分子扩散，透过反胶束界面膜向水核内渗透，继而发生水解缩合反应，制得SiO₂。此法制备的产品粒度分布窄、粒径可控、分散性好。该法的缺点：目前该方法只是停留在实验室阶段，还不能很好的大规模生产。

3、喷雾法：喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理。此方法特点是颗粒分布比较均匀，但颗粒尺寸为亚微米到10μm，是一种合成粒径可控纳米粒子氧化物的新方法。该法的缺点：能耗高，干燥后的微粉团聚严重，使用很不方便。

通过对上述制备硅微粉各种方法的对比，我们可以大致得出：物理法制备的球形硅微粉所需的原材料较为廉价，但对原材料石英质量和生产设备等要求较高。其中火焰成球法目前是一种可实现规模化生产且有发展前景的工艺技术，但是其存在纯度和雾化粒径调整的问题。

化学法可制备出高纯且粒径均匀的球形SiO₂，但由于需用大量的表面活性剂，因此存在生产成本高、有机杂质不易除净、容易团聚及难以工业化等缺点。本着经济的原则，如果能通过化学改性的方法．解决化学法的诸多问题，将对我国球形硅微粉的生产工业化及电子封装产业的快速发展有着深远的意义。

查询中国专利文献，没有发现直接利用高纯超细硅微粉直接雾化到2000-2300℃电加热的高温球化炉中制备高纯超细球形硅微粉的的产业化应用及工业化装置使用情况的报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置及方法。本发明提供的装置将雾化和球化结合起来，通过参数的控制和优化，使得所制备的球形微硅粉具有纯度高、粒径分布窄、粒径可控的优点。同时该装置通用性强，可适用于各种纯度和粒度的球形微硅粉的生产。

本发明所提供的制备方法采用把微粉先雾化、熔化或气化、再聚冷球化的思路，即首先将一定粒度区间的高纯超细硅微粉用压缩气体雾化，雾化后进入高温熔化炉中，雾化的硅微粉由于其粒径细小，在2000-2300℃高温下迅速熔化或气化，然后在引风机的抽力及自身重力的作用下，熔化后的微粒或气化的气体，向炉底方向运动时，经过聚冷却料仓内的球冠型聚冷却器冷却至室温过程中，自然收缩成球形微粒并滑向料仓的底部，即是高纯超细球形硅微粉颗粒，与此同时微粉颗粒通过多级旋风除尘器进行分级，粒径大小合格的颗粒经冷却管再落入到成品仓中。使用本发明提供的装置进行微粉生产可方便地根据需求进行微粉粒径的调控，即通过投料粉体的粒径、旋风除尘器、布袋除尘器和引风机等设备的技术参数的调节实现粒径的调控。

本发明提供的方案如下：

一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，包括微粉料仓、雾化装置、高温熔化炉与聚冷却料仓、成品仓和除尘***。

所述雾化装置包括雾化器和压缩空气通道；微粉料仓出料口通过导管连接到雾化器，该导管接入压缩空气通道；

高温熔化炉的上端设置有雾化器，下端连接到聚冷却料仓；聚冷却料仓下端连接成品仓，下端侧面连接除尘***。

上述高温熔化炉上部为有盖的圆柱型，下部为锥体，加热方式为电加热；所述高温熔化炉设置有温度计，侧壁设置有观察孔。

上述高温熔化炉内壁设置有保温层。

上述高温熔化炉内壁设置有电加热***。

上述聚冷却料仓上下部为锥体，中间为圆柱体；聚冷却料仓内设置有冷却装置。冷却装置设置于聚冷却料仓上部锥体，由球冠型上盖和上端开口的圆柱型底座组成；底座内设置有进水管和出水管，进水管连接莲蓬头。冷却水通过进水管进入到莲蓬头并直接喷至球冠型上盖，球冠型上盖的顶面冷却熔融后的微粒和高温气体后升温，冷却水冷却上盖后回流到底座中，再经出水管排出。冷却装置上部为球冠型设计是为了熔化后的微粒或气化后的气体冷却自然收缩成球形后，容易滑落到聚冷却料仓底部。

上除尘***包括冷凝管、旋风除尘器和引风机，三者依次连接。

上述旋风除尘器包括一级旋风除尘器、二级旋风除尘器和布袋除尘器，三者依次相连。

本发明的另一目的在于提供上述装置生产球形硅微粉的方法，包括以下步骤：

（1）预热高温熔化炉，开启引风机，将雾化器、冷凝管和聚冷却料仓中的冷却装置中通入冷凝水，使高温熔化炉内的温度稳定在2000-2300℃；

（2）将高纯超细硅微粉物料加入到微粉料仓中，通入压缩空气以将硅微粉引入到雾化器（11）中；

（3）雾化器将硅微粉雾化，喷入高温熔化炉；

（4）雾化的微粉迅速熔化或气化；在引风机抽力的作用下，粒径较大的颗粒经聚冷却料仓落入成品仓中收集，粒径较小的颗粒经分级***筛分收集。

所述微粉颗粒的粒径通过控制引风机的风量、压缩空气的流量、原料粒径及微粉加料量实现实时调节。

本发明的有益效果：

（1）采用高温熔化炉熔化或气化微粒，再进行聚冷却成球，根据粉体的粒径进行筛分和收集，实现了硅微粉的球化和分级和除尘；

（2）聚冷却料仓采用球冠型上盖的设计，能够使得熔融微粉自然冷却收缩成球形，并容易滑落到聚冷却料仓底部；

（3）球化过程通过引风机引入外力，结合颗粒自身的重力，有利于提高球化速度，并可通过控制引风机的风量调控粒径的大小；

（4）三级除尘有利于粒径的细分，使得粒径的分布范围更窄；

（5）观察窗的设计方便观察颗粒的雾化情况，以根据需要实时通过调节参数控制粒径的大小；

（6）通过控制引风机的风量、压缩空气的气体流量、原料粒径和加料量实现颗粒粒径的实时调节。

附图说明

图1为本发明提供的装置的示意图。

图2为聚冷却料仓中冷却装置结构示意图；

图3为雾化器的结构示意图；

图4为应用实施例1制备的硅微粉的电镜扫描图；

图5为应用实施例2制备的硅微粉的电镜扫描图；

附图标记：1-微粉料仓，2-压缩空气通道，3-雾化器，4-观察孔，5-温度计及温控***，6-高温熔化炉，7-聚冷却料仓，8-冷却装置，9-人孔，10-排气阀，11-成品仓，12-冷凝管，13-一级旋风除尘器，14-二级旋风除尘器，15-布袋除尘器，16-引风机，81-球冠型上盖，82-底座，83-进水管，84-出水管，85-支柱，86-莲蓬头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例1

图1示出了本发明提供的装置的结构图。

一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，包括微粉料仓1、雾化装置、高温熔化炉6、聚冷却料仓7、成品仓11和除尘***。

所述雾化装置包括雾化器3和压缩空气通道2；微粉料仓1出料口通过导管连接到雾化器3，该导管接入压缩空气通道2；微粉料仓1下部设置有阀门。

雾化器3为压缩气体雾化器，为现有技术，其结构如图2所示。雾化器外包有冷却管，用于冷却雾化器，使其在较低的温度范围内工作。

高温熔化炉6上部为有盖的圆柱型，下部为锥体，加热方式为电加热。高温熔化炉20通过在内壁设置电热丝进行加热。高温熔化炉6内胆设置有保温层。高温熔化炉6侧壁设置有观察孔4用于观察微粉颗粒的雾化状态以方便通过参数调节控制粒径大小。高温熔化炉6还设置有温度计5，用于显示炉内温度。

聚冷却料仓7上下部为锥体，中间为圆柱体；聚冷却料仓7内部设置有冷却装置8。冷却装置8的结构如图3所示。该冷却装置8设置在上部锥体，由球冠型上盖81和上端开口的圆柱型底座82组成；底座82内设置有进水管83和出水管84，进水管83连接莲蓬头86，进水管83垂直向上由支柱85支撑。莲蓬头86向球冠型上盖81喷水对其进行冷却，冷却后的水回落至底座82中再通过出水管84排出。

除尘***包括冷凝管12、旋风除尘器和引风机16，三者依次连接。优选的，旋风除尘器包括一级除尘器13、二级除尘器14和布袋除尘器15，三者依次相连。旋风除尘器和布袋除尘器均为现有技术，其技术参数可根据原料微粉的粒度区间进行选择。

高温熔化炉6的上盖开孔安装雾化器3，下端连接到聚冷却料仓7。聚冷却料仓7下端连接成品仓11，下端侧面连接冷凝管12，冷凝管12依次与旋风除尘器、引风机相连。成品仓11上端设有排空阀门。

上述设备的具体技术参数可根据原料粉体的粒径及所需要的产品的粒径等进行调节和选择。

应用实施例1

以D90为800目(15um)的SiO₂：99.95%高纯硅微粉为例制备硅微粉

制备步骤如下：

1、把D90为800目(15um)的SiO₂：99.95%高纯硅微粉物料放入到受料斗备用。

2、开启供电开关，把高温熔化炉的温度控制调整2000-2300℃，当加热到大于或等于2000℃，再开启除尘器的引风机，用变频器调节风量大小，使高温熔化炉内的温度稳定在2000-2300℃区间内。

3、先开启雾化器及其冷却水，运转正常后再慢慢开启硅微粉受料斗下的阀门，用压缩空气把硅微粉在高温超高温熔化炉的上部雾化，通过高温熔化炉体外的观察孔观察物料在炉内的雾化状态—微粉是否均匀分布在高温熔化炉内，压缩气体不足是雾化的效果的面积小，粉体会呈线性往下流动，此时则应通过调整雾化气体压力，再适当调节引风机的风量、压缩空气的气体流量及物料的加料量和物料粒径的大小；控制进入第一级旋风除尘器的风速为25m/s。雾化后的微粉在除尘器引风机的作用下，在通过高温区时向下沉降，在过程中迅速熔化后且落入聚冷却器内聚冷后自然成球状颗粒，然后再下滑到聚冷却料仓底部，再流入成品仓，即是高纯超细球形硅微粉产品。细小的粉体通过一、二旋风除尘后收集，最细的粉体再通过布袋除尘收集后再通过引风机排空。

4、收集一级和二级微粉收集器的产品，得到更细的且不同粒径的高纯超细球形硅微粉产品。

图4为应用实施例1所制备的硅微粉的电镜扫描图。从图中可以看出，硅微粉颗粒为比较饱满的球形结构，均一性好，粒径范围窄。

应用实施例2

以D99为325目(44um) SiO₂：99.98%的高纯硅微粉为例制备球形硅微粉

1、把所需的粒度区间的高纯超细硅微粉物料放入到受料斗中备用。

2、把高温熔化炉的温度控制调整到2000-2300℃，当温度达到2000℃时，开启除尘器的引风机，用变频器调节风量大小，使高温炉内的温度稳定在2000-2300℃。

3、先开启雾化器及其冷却水，运转正常后再慢慢开启硅微粉受料斗下的阀门，用压缩空气把硅微粉在高温熔化炉的上部雾化，通过高温熔化炉体外的观察孔观察物料在炉内的雾化状态，若雾化的粉体没有充满高温熔化炉时，则应加大压缩气体流量和压力，使其充满其空间，再适当调节引风机的风量、压缩空气的气体流量及物料的加料量大小。引风机风量调大时，其微粉在熔化炉内停留时间极短，得不到很好的熔化，其球形度不高，引风机风量小，球形度好，则产量不高；所以一定要调整好雾化、冷却与引风机的风量的关系,一般要求控制进入第一级旋风除尘器的风速为35m/s。雾化后的粉体通过超高温熔化炉后，在引风机的作用下，在通过高温区时向下沉降，在过程中迅速熔化后且落入聚冷却料仓冷却自然成球形，在迅速滑落到冷却仓底部，再落入成品仓即是高纯超细球形硅微粉产品。细小的粉体通过一、二旋风除尘后收集，最细的粉体再通过布袋除尘收集后再通过引风机排空。

4、收集一级和二级微粉收集器的产品，即可得到更细的且不同粒径的高纯超细球形硅微粉产品。

图5为应用实施例2所制备的硅微粉的电镜扫描图。从图中可以看出，硅微粉颗粒为比较饱满的球形结构，均一性好，粒径范围窄。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电加热生产高纯超细球形硅微粉的装置，其特征在于：

包括微粉料仓（1）、雾化装置、高温熔化炉（6）与聚冷却料仓（7）、成品仓（11）和除尘***；

所述雾化装置包括雾化器（3）和压缩空气通道（2）；微粉料仓（1）出料口通过导管连接到雾化器（3），该导管接入压缩空气通道（2）；

高温熔化炉（6）的上端设置有雾化器（3），下端连接到聚冷却料仓（7）；聚冷却料仓（7）下端连接成品仓（11），下端侧面连接分级***；所述高温熔化炉（6）上部为有盖的圆柱型，下部为锥体，加热方式为电加热；所述高温熔化炉设置有温度计，侧壁设置有观察孔；高温熔化炉（6）内的温度稳定在2000-2300℃；

所述聚冷却料仓（7）上下部为锥体，中间为圆柱体；聚冷却料仓（7）内设置有冷却装置（8）；所述冷却装置（8）设置于聚冷却料仓（7）上部锥体，由球冠型上盖（81）和上端开口的圆柱型底座（82）组成；底座（82）内设置有进水管（83）和出水管（84），进水管（83）连接莲蓬头（86）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的高温熔化炉（6）内壁设置有保温层。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的高温熔化炉（6）内壁设置有电加热***。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述除尘***包括冷凝管（12）、旋风除尘器和引风机（16），三者依次连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述旋风除尘器包括一级旋风除尘器（13）、二级旋风除尘器（14）和布袋除尘器（15），三者依次相连。

6.一种利用权利要求1所述装置生产球形硅微粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）预热高温熔化炉（6），开启引风机（16），将雾化器（3）、冷凝管（12）和聚冷却料仓（7）中的冷却装置中通入冷凝水，使高温熔化炉（6）内的温度稳定在2000-2300℃；

（2）将高纯超细硅微粉物料加入到微粉料仓（1）中，通入压缩空气以将硅微粉引入到雾化器（3）中；

（3）雾化器（3）将硅微粉雾化，喷入高温熔化炉（6）；

（4）雾化的微粉迅速熔化或气化；在引风机（16）抽力的作用下，粒径较大的颗粒经聚冷却料仓（7）落入成品仓（11）中收集，粒径较小的颗粒经分级***筛分收集。

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