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我国球形石英粉开发状况及发展思考(一)
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-12-21 10:31:01    浏览次数:
 
       随着现代科技的迅猛发展,微电子技术几乎渗透到所有工业领域,在经济发展和国防建设中发挥着巨大支撑作用。集成电路(IC)是微电子技术的核心与基石,在其生产、贮存、运输和使用过程中与封装密不可分,全世界95%以上封装材料为环氧塑封料。环氧塑封料在生产过程中需大量使用具有特殊性质的石英粉(硅微粉)作填充材料,其目的主要是降低塑封料的胀膨率,提高集成电路的热稳定性。
       众所周知,集成电路是由单晶硅制成,单晶硅的膨胀系数为3.5×10-6 K-1,非晶态石英粉为(0.3~0.5)×10-6 K-1,环氧树脂为(30~50)×10-6 K-1,而结晶石英粉为60×10-6 K-1。当非晶态石英粉以高比例加入到环氧树脂中制成封装材料时,其热膨胀系数可调到8×10-6K-1左右,加得越多就越接近单晶硅;而结晶石英粉由于膨胀系数大,一般在中高档集成电路中使用。随着科技的进步,微电子元件性能不断提高,对封装技术及封装材料的要求越来越高,球形石英粉由于具有其他类型石英粉无法比拟的优越特性,正被逐步应用于大规模及超大规模集成电路的生产中,在电子信息技术领域发挥着越来越重要的作用。
 
1 球形石英粉的特性及应用领域
1.1 球形石英粉的特性
       球形石英粉具有表面光滑、比表面积大、硬度大、化学性能稳定等优越性能。首先,球形粉流动性好,与树脂搅拌成膜均匀,树脂添加量小,石英粉的填充量高,质量分数最高可达90.5%。石英粉的填充量越高,导热系数越低,塑封料的热膨胀系数就越小,越接近单晶硅的热膨胀系数,生产的电子元件使用性能就越好。其次,球形粉的应力仅为角形粉应力的60%,由球形石英粉制成的塑封料应力集中最小,强度最高。最后,球形粉表面光滑,摩擦系数小,对模具的磨损小,可延长模具的使用寿命达1倍以上。
1.2 球形石英粉的应用领域
       球形石英粉的应用领域非常广,用作电子封装材料是其应用领域的第一大市场。电子封装是集成电路的支撑业,随着大规模及超大规模集成电路的发展,集成电路越来越精细,对封装材料的要求越来越高,封装形式不断优化与更新。电子封装的3大主材料是基板材料、塑封材料和引线框架及焊料。塑料封装由于其成本低廉、工艺简单,并适于大批量生产,自诞生起便得到了快速发展,在封装中所占份额越来越大,目前塑料封装在世界范围内占集成电路市场的95
%以上。在塑封料中,环氧塑封料(EMC)是国内外集成电路封装的主流,95%以上的微电子元件采用环氧塑封。在微电子封装中,主要要求集成电路封装后高耐潮、低应力、低α射线,耐浸焊和回流焊,塑封性能工艺好。针对此,环氧塑封料必须在树脂基体里掺杂无机填料,目前使用的无机填料几乎都是石英微粉(二氧化硅微粉)。
       随着微电子工业的迅速发展,大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求越来越高,石英粉作为EMC的重要支撑材料,不仅要求其粒度符合封装的特定范围,而且还要求其纯度高、放射性元素含量低,特别是对于颗粒形状提出了球形化要求。球形硅微粉不但形状好,而且化学纯度高、放射性元素含量低,能满足高端集成电路的各项技术要求,其应用能极大地降低塑封料的热膨胀系数、降低其介电常数、减少应力,极大地增强制品的刚性、耐磨性、耐候性、抗冲击性、抗压性、抗拉性、耐潮性、耐燃性,使制品具有良好的耐电弧绝缘特性和抗紫外线辐射等,已成为电子封装不可或缺的关键材料。
       球形石英粉除主要用于电子封装领域外,还可广泛用于电子油墨、光导纤维、高档化妆品、高级精密陶瓷的制造,光学器件及电子元件的精密研磨,以及用作特种油漆涂料的填料等。
 
2 球形石英粉的制造方法
       球形石英粉是由天然石英石经提纯超细粉碎后,通过一定的高温场,使其相态、晶型及形状瞬间发生变化,由固态变为熔融态再变为固态,由晶态变为非晶态,由不规则角形颗粒变为规则的球形颗粒而得到的一种粉末。其制备方法目前大致有高温等离子体熔融法、高温熔融喷射法和气体燃烧火焰法等。
2.1 高温等离子体熔融法
       高温等离子体熔融法是利用交流或直流电弧等离子体产生的高温气体作热源,将石英粉体喷射到等离子焰中,粉体受热熔化并瞬间气化,再经骤冷,经旋风和布袋收集,便得到球状硅微粉。其特点是加热温度高,可以获得比化学燃烧高5倍以上的温度(3000K以上)场,高温高热和高活性气氛使化学反应进行非常迅速,导致化学液相法难以合成的高温相化合物快速生成(如氮化物、碳化物和硼化物等);当反应物料离开等离子体时,经急骤冷却,粒子不再长大;可根据不同需要形成不同气氛的等离子态,反应物选择范围宽。
       但等离子体技术难度很大,首先,等离子体温度场受等离子体的磁性、电性能影响,温度场小而集中,加热装置稳定的高温场不易控制,温度范围不易调整;其次,等离子体的能
量和射流的产生是由电流通过电离的气体介质实现的,过多地稀释等离子体就会中断电流,失去作用。这些因素使得产品球化率不易控制、很难形成规模生产。
2.2 高温熔融喷射法
      高温熔融喷射法是把物料置于高温场中将其熔化使之成为熔融体,在熔融体流出的瞬间,以通过喷射器的高压空气进行喷吹,熔融物被高速气流分散打碎成雾状小液滴,再被迅速冷却,小液滴遇冷便快速自然收缩成表面光滑的球状颗粒。高温熔融喷射法是最易保证球形化和无定形率的方法。但是,炉体高温材料、粘稠的石英熔融体雾化以及防止二次污染等一系列关键技术没有突破,用于制造高纯球形石英粉难度很大。
2.3 气体燃烧火焰法
       气体燃烧火焰法是以乙炔气、氢气、天然气等燃料气为原料,以氧气或空气为助燃气,通过密闭炉窑燃烧产生洁净火焰。与此同时,角形石英粉随气流被输送到火焰中。当角形粉末经过高温火焰场时,首先被熔化为无定形颗粒,当它离开高温场被迅速冷却时即刻收缩变为球形颗粒,再经过旋风收集便得到成品。此法涉及热力学、气体和颗粒流体力学等方面的理论,与等离子体高温火焰相比,首先温度场相对较低,其次是影响因素较少,不再涉及电磁学理论及离子在电磁场中流动和运动的问题,使各种条件影响因素变得较易控制,设备制造更为简化,容易实现工业化,发展前景较好。
 
作者:胡修权,贺爱平,周 毅,陈 梁,孙 猛(中南冶金地质研究所,宜昌443003)



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