專(zhuān)利名稱(chēng)：球形二氧化硅的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微細(xì)的球形顆粒狀二氧化硅的制備方法。
背景技術(shù)：
Si02大量用于塑封料行業(yè)，將Si02、樹(shù)脂、固化劑、阻燃劑、其
他助劑等用特殊工藝進(jìn)行混合，可制成塑封料，封裝廠(chǎng)再用塑封料去
封裝電子元器件，如二極管、三極管、集成電路等電子元件。Si02 在塑封料中占到60%—90°/。的比例，因此，是塑封料的重要材料。
角形S i 02主要是封裝二極管、三極管等電子元件，市場(chǎng)需求量大， 國(guó)內(nèi)需求量約在2-3萬(wàn)噸/年，每年還在以20°/。的速度增長(zhǎng)，每噸價(jià) 格只在1300-1500多元，價(jià)格很低。因角形Si02的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，只 是球磨破碎和分級(jí)，生產(chǎn)企業(yè)較多，價(jià)格竟?fàn)幖ち摇?br> 球形Si02是高端塑封料里用的填料，用于封裝集成電路及大規(guī)模 集成電路，環(huán)保型三極管、二極管等電子元件的塑封料中。因其是真 球狀(真球度大于90%以上)，具有高流動(dòng)性；因其是高純度的(Si02: 99. 8%以上,高溫蒸煮后電導(dǎo)率在3-4us/cm)，有良好的絕緣性能； 同時(shí)可以滿(mǎn)足塑封料的高填充(填充量在85 — 9(Wwt)。提高封裝器 件的熱傳導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度、電氣抵抗率，降低熱膨脹率和吸濕率，減 少封裝時(shí)對(duì)集成電路的損傷。球形二氧化硅粉末的沒(méi)有尖角，對(duì)模具 的磨損小，使模具的使用壽命延長(zhǎng)。
由于二氧化硅的添加量提高使得溴類(lèi)阻燃劑的添加量減少，從而
滿(mǎn)足了產(chǎn)品的環(huán)保、阻燃要求。
目前球形SiO2的每噸售價(jià)在30000-40000元人民幣左右，是角形
SiO/l價(jià)的十到二十幾倍。集成電路主要用于手機(jī)、平板電視、汽車(chē)、
數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦。目前全世界球形SiO2的用量在60000噸/年，而且以15。/。的速度在增長(zhǎng)，中國(guó)目前年用量在5000噸，預(yù)計(jì)10年內(nèi)用 量在40000噸，市場(chǎng)前景非常廣闊。但球形二氧化硅的生產(chǎn)技術(shù)目前 掌握在國(guó)外企業(yè)手中。
在已經(jīng)公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)中，球形硅顆粒主要有兩種制造方法 第 一種溶膠-凝膠合成球形二氧化硅，它以?xún)r(jià)格低廉的石英礦物為基 本原料，采用溶膠-凝膠技術(shù)，在分散劑和球形催化劑存在的條件下， 制備出符合電子封裝材料要求的高純球形非晶態(tài)硅微粉，可見(jiàn)公開(kāi)號(hào) 為CN1830774,名為一種用天然粉石英制備高純球形納米非晶態(tài)硅微 粉的方法的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)。另外一種是采用高頻等離子制備球形 硅微粉，如中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?00580031471.8。但上述兩種方法存 在著設(shè)備要求高、成本過(guò)高、產(chǎn)品品質(zhì)不夠穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備真球度高的二氧化硅非晶質(zhì)球形 顆粒的方法。
本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的 一種球形二氧化硅的制備方法，它包括以下步驟
A. 角形二氧化硅通過(guò)天然氣和氧氣的燃燒火焰的步驟；
B. 通過(guò)冷卻區(qū)的步驟；
C. 顆粒分級(jí)的步驟。
本發(fā)明所述的角形二氧化硅原料須符合純度等性能要求，其具體 要求是Fe203 <30ppm,電導(dǎo)率《10us/cra, Si02 "9.8。
本發(fā)明利用天然氣和氧氣產(chǎn)生火焰，讓角形二氧化硅顆粒通過(guò)上 述火焰，角形二氧化硅能被所述的火焰熔融，在自由落體時(shí)通過(guò)表面 的張力形成球狀。氧氣和天然氣作為本發(fā)明的選擇是因?yàn)樘烊粴庾魅紵龤怏w和氧氣助燃的火焰溫度達(dá)到2000攝氏度左右，恰好能夠熔 融二氧化硅，且不會(huì)過(guò)高造成能量浪費(fèi)，且最大限度地降低了隔熱保 溫設(shè)備的成本；天然氣和氧氣燃燒所需的氣體流量大能夠充分分散二 氧化硅顆粒，避免其熔融后的相互碰撞；天然氣和氧氣是氣體與氣體 之間的燃燒，其火焰、氣流穩(wěn)定，較少產(chǎn)生亂流，有效地減少了二氧 化硅顆粒在被力。熱過(guò)程中相互碰撞的可能性；天然氣便于利用，能夠 有效地降低本發(fā)明的工藝成本。
本發(fā)明角形二氧化硅顆粒經(jīng)過(guò)火焰熔融后即由于表面張力成 為球狀，其還要經(jīng)過(guò)一個(gè)冷卻的步驟，二氧化硅在冷卻的過(guò)程中逐漸 定型，冷卻后經(jīng)過(guò)風(fēng)力分級(jí)，選擇分出不同粒徑的二氧化硅顆粒。
本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵是控制燃燒火焰有足夠的穩(wěn)定性，作為本發(fā) 明的優(yōu)選，燃燒氧氣和天然氣的摩爾比值大于2. 3小于3. 2。過(guò)量的 氧氣使得天然氣的燃燒完全且火焰穩(wěn)定，如果氧氣的余量過(guò)大則會(huì)導(dǎo) 致成球率4交低。
控制本發(fā)明所述的火焰在一個(gè)燃燒爐中，有利于火焰的穩(wěn)定， 同時(shí)也有利于熱量的保持，燃燒爐的大小對(duì)本發(fā)明所得的球形二氧化 硅的形狀有較大影響，作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述的A步驟具體是角 形二氧化硅顆粒、天然氣、氧氣通過(guò)同一入口從上向下地加入到一個(gè) 燃燒爐中，氧氣和天然氣在燃燒爐中燃燒。在燃燒爐的上端天然氣和 氧氣燃燒，角形二氧化硅顆粒從燃燒爐的上端加入，在高溫火焰中被 加熱熔融，后經(jīng)冷卻。角形二氧化硅顆粒在高溫火焰中，表面熔融， 由于表面張力的存在形成球形。通過(guò)試驗(yàn)表明，采用本發(fā)明所述的方法制得的球形二氧化硅材料 的成球率高、分散性好、球化后粒度分布與原料保持一致性。
控制本發(fā)明所述角形二氧化硅顆粒在火焰中停留的時(shí)間對(duì)本 發(fā)明最終所得的二氧化硅的成球率有較大影響，作為本發(fā)明的 一個(gè)優(yōu)
選，本發(fā)明的角形二氧化硅顆粒在火焰中停留的時(shí)間為0.4-0. 6秒。
在分散性上，采用天然氣、氧氣高溫火焰法成球方法的氣體總流 量高，使天然氣、氧氣成球高溫火焰方法中單位體積內(nèi)的二氧化硅粉 體的濃度低，顆粒間碰撞的機(jī)會(huì)少，熔融過(guò)程度中顆粒間極少會(huì)產(chǎn)生 因碰撞團(tuán)聚而使粒度分布粗大化現(xiàn)象。
二氧化硅顆粒和氧氣、天然氣同一方向噴出，即二氧化硅、氧氣、
天然氣通過(guò)同一入口進(jìn)入燃燒爐中。這樣，二氧化硅顆粒被氣體分散， 其相互接觸的幾率降低。同時(shí)，二氧化硅顆粒能和產(chǎn)生火焰的氣體同 步運(yùn)動(dòng)，這樣能保證顆粒處于火焰中的時(shí)間，有效的利用火焰的長(zhǎng)度。 作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述的燃燒爐的內(nèi)部是直徑為3-6m，長(zhǎng)為 10-15m的圓柱體。通常本發(fā)明的燃燒爐可采用高溫耐火磚砌筑，保 溫效果好。
由于火焰從燃燒爐的上端中心處噴出，可能將大量的二氧化硅顆 粒送到燃燒爐的爐壁上。這樣不僅造成了二氧化硅顆粒的浪費(fèi)還會(huì)引 起整條生產(chǎn)線(xiàn)的故障。為了解決這一問(wèn)題，本實(shí)用新型在燃燒爐的上 端四周設(shè)有開(kāi)口。由于爐內(nèi)的負(fù)壓，在爐內(nèi)會(huì)形成延爐壁向下的冷風(fēng)， 上述冷風(fēng)阻止二氧化硅顆粒和爐壁的碰撞。
作為本發(fā)明的優(yōu)選，采用壓縮空氣輸送角形二氧化硅顆粒進(jìn)入燃
6燒爐。通過(guò)壓縮空氣輸送二氧化硅顆粒使其分散性更好。
作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述的氧氣、天然氣、角形二氧化硅顆粒通
過(guò)同一噴嘴噴入燃燒爐中，所述的噴嘴為三層的同心圓，內(nèi)層為角形
二氧化硅層，中層為天然氣層，外層為氧氣層。即噴嘴噴出三股物料,
中間為圓形的角形二氧化硅流柱，中將的是天然氣環(huán)柱，外層的是氧
氣環(huán)柱，通過(guò)如此設(shè)計(jì)，角形二氧化硅顆粒能夠充分地吸收火焰所產(chǎn)
生的熱量，且各種氣流不會(huì)相互激蕩。
本發(fā)明的天然氣、氧氣備制球形二氧化硅的方法完全能生產(chǎn)出符 合大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路、封裝用球形二氧化硅材料所要求的各 項(xiàng)性能指標(biāo)。進(jìn)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)，成球工藝可靠度、質(zhì)量合格率 和工程穩(wěn)定性等都就具有高可靠性。
綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明選用較好的二氧化硅原料，它有效的避免加工過(guò)程中 其它雜質(zhì)的混入，保證球形二氧化硅的原料不受污染；
2、 本發(fā)明采用純氧和天然氣相對(duì)格價(jià)低的能源，用高溫火焰熔 融角形二氧化硅顆粒，靠其熔融后的表面張力使之球化，由于純氧和 天然氣的流量大，能將二氧化硅顆粒有效分散，減少了二氧化硅顆粒 在表面熔融情況下結(jié)團(tuán)的可能性，保證了最終產(chǎn)品的真球度；
3、 本發(fā)明選^^t、定的燃燒爐，并且優(yōu)選了氧氣和天然氣的比值， 使得本發(fā)明的火焰燃燒穩(wěn)定，二氧化硅不易在燃燒爐中雜亂碰撞；
4、 本發(fā)明優(yōu)選了二氧化硅顆粒在火焰中的停留時(shí)間，使得二氧 化硅有足夠的熔融時(shí)間且不會(huì)浪費(fèi)能源；
5、 本發(fā)明在燃燒爐的上端四周開(kāi)設(shè)了通口，在燃燒爐內(nèi)四周形 成下冷風(fēng)，防止了高溫的二氧化硅碰撞爐壁，同時(shí)形成了保溫層，提 高了爐的保溫效果；


圖l是本發(fā)明實(shí)施例1中生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中噴嘴部的放大圖。
具體實(shí)施例
本具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的解釋?zhuān)洳⒉皇菍?duì)本發(fā)明的限 制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀完本說(shuō)明書(shū)后可以根據(jù)需要對(duì)本實(shí)施例做 出沒(méi)有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到 專(zhuān)利法的保護(hù)。
實(shí)施例1:選二氧化硅原料通過(guò)互相碰撞、剪切等物理作用，磨 粉碎得角形二氧化硅顆粒。所得的角形二氧化硅顆粒放入二氧化硅顆 粒料斗1中。如圖1、 2所示，將天然氣、氧氣、二氧化硅顆粒的管 道接入燃燒爐2中，燃燒用的氧氣、天然氣和二氧化硅顆粒通過(guò)同一 噴嘴3進(jìn)入燃燒爐中，噴嘴3有內(nèi)層3a、中層3b、外層3c三層構(gòu)成， 其中內(nèi)層3a接通二氧化硅顆粒料斗1,中層3b接通天然氣，外層3c 接通氧氣。本實(shí)施例中氧氣的通入量是天然氣的通入量2. 3倍(物質(zhì) 的量的比)。所述的燃燒爐2內(nèi)部空間是直徑為3m,高為10m的圓柱 體，其周壁是耐火磚砌成，在燃燒爐2的上端中心出接入噴嘴3,在 燃燒爐2的上端四周開(kāi)有開(kāi)口 2a,天然氣和氧氣約在離開(kāi)噴嘴的1 -6m處產(chǎn)生火焰，二氧化硅顆粒通過(guò)上述1 - 6m火焰的停留時(shí)間是 0. 4s。 二氧化硅顆粒通過(guò)上述火焰區(qū)后被熔融，在燃燒爐2的下端被 冷卻。在燃燒爐2的下端，已經(jīng)成為球形的二氧化硅被風(fēng)機(jī)10通過(guò) 管道7吸出，進(jìn)過(guò)顆粒分級(jí)收集罐8和顆粒分級(jí)收集罐9的收集后得 到分級(jí)的球形二氧化硅顆粒。表1是本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2對(duì)國(guó)外的球形二氧化硅粉
體成份、電導(dǎo)、離子含量實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。從上表可以看出，本發(fā)明 所得的球形二氧化硅的各項(xiàng)性能接近日本龍森公司的最高水平，優(yōu) 于其它國(guó)外公司的產(chǎn)品。
實(shí)施例2:本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，所述氧氣的通入量為 天然氣的通入量的3. 2倍，所述的燃燒爐內(nèi)部是之間為6m高為15m 的圓柱體；所述的二氧化硅在火焰中的停留時(shí)間是0. 6s;本實(shí)施例 中的二氧化硅顆粒是通過(guò)壓縮空氣送入燃燒爐中。
表l
日本龍森曰本電化韓國(guó)kosetn曰本實(shí)施例1實(shí)施例2
測(cè)試項(xiàng)^"\^MSR-25FB-60SS-0250MICRONSi02 %99. 8299. 7399. 7499. 8199. 8599. 84
A1203 ppm9657071239598429438
燒失量y。0. 100. 250. 110. 120. 060. 06
K20 ppm16. 218. 926. 621. 415. 212. 3
Na20 ppm18. 522. 324. 019. 614. 212. 7
CaO ppm11. 719. 944. 213. 314. 516. 7
MgO ppm6. 96. 520. 14. 82. 22. 3
Fe203 ppm30. 025. 727. 523. 415. 818. 7
K+ ppm測(cè)不出0. 5測(cè)不出測(cè)不出測(cè)不出測(cè)不出
Na+ ppm0. 20. 40. 30. 10. 10. 3
Fe2+ ppm0. 30. 40. 20. 30. 50. 3
CI— ppm0. 40. 50. 80. 70. 40. 6
電導(dǎo)4. 55. 13. 74. 94. 34. 7
PH5. 95. 65. 35. 15. 75. 6
平均球形 度0. 9410. 9290. 8920. 9670. 9610. 952
9
權(quán)利要求
1、一種球形二氧化硅的制備方法，它包括以下步驟A. 角形二氧化硅通過(guò)天然氣和氧氣的燃燒火焰的步驟；B. 通過(guò)冷卻區(qū)的步驟；C. 顆粒分級(jí)的步驟。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于A(yíng)步驟中的氧氣和天然氣的摩爾比值大于2. 3小于3. 2。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于所述的A步驟具體是角形二氧化硅顆粒、天然氣、氧氣通過(guò)同 一入口從上向下地加入到一個(gè)燃燒爐中，氧氣和天然氣在燃燒爐中燃 燒。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于角形二氧化硅顆粒在所述的燃燒火焰中停留的時(shí)間為0.4-0.6秒。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于所述的燃燒爐的內(nèi)部是直徑為3-6m,長(zhǎng)為10-15m的圓柱體。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于燃燒爐的上端四周設(shè)有開(kāi)口。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于采用壓縮空氣輸送角形二氧化硅顆粒進(jìn)入燃燒爐。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球形二氧化硅的制備方法，其特征在 于所述的氧氣、天然氣、角形二氧化硅顆粒通過(guò)同一噴嘴噴入燃燒爐 中，所述的噴嘴為三層的同心圓，內(nèi)層為角形二氧化硅層，中層為天 然氣層，外層為氧氣層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微細(xì)的球形顆粒狀二氧化硅的制備方法。它包括以下步驟角形二氧化硅通過(guò)天然氣和氧氣的燃燒火焰的步驟；通過(guò)冷卻區(qū)的步驟；顆粒分級(jí)的步驟。本發(fā)明采用純氧和天然氣相對(duì)格價(jià)低的能源，用高溫火焰熔融角形二氧化硅顆粒，靠其熔融后的表面張力使之球化，由于純氧和天然氣的流量大，能將二氧化硅顆粒有效分散，減少了二氧化硅顆粒在表面熔融情況下結(jié)團(tuán)的可能性，保證了最終產(chǎn)品的真球度。
文檔編號(hào)C01B33/18GK101462727SQ20081012138
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者文 李, 洲 熬, 軍 錢(qián) 申請(qǐng)人:浙江華飛電子封裝基材有限公司