引言

硅微粉作為一種無機非金屬礦物功能性粉體材料，具有高耐熱、高絕緣、低線性膨脹系數和導熱性好等獨特的物理、化學特性，能夠廣泛應用于覆銅板、環氧塑封料、電工絕緣材料、膠粘劑、陶瓷、涂料等領域，在消費電子、家用電器、移動通信、汽車工業、航空航天、國防軍工、風力發電等行業所需的關鍵性材料中占有舉足輕重的地位，因此硅微粉行業的發展對推動相關產業的技術進步、提升產品的性能和質量發揮著巨大作用，對于縮短我國電子工業與日本等發達國家之間的差距具有重要意義。

近年來，隨著微電子技術的迅猛發展，人們對微電子元件的質量要求越來越高，這使得硅微粉的質量要求亦越來越高，如何制備高純、超細的球形硅微粉已成為研究的熱點。

球形二氧化硅概況

球形二氧化硅微粉是指白色球形顆粒，主要成分為二氧化硅的無定形石英粉體材料，粒度小至亞微米或納米級別[1]。作為一種重要的無機功能粉體材料，其具有高耐熱、高耐濕、高填充、低應力、低摩擦系數等獨特的物理和化學特性[2]。此外，球形二氧化硅具有純度超高，粒徑小但不易團聚且顆粒分布均勻，介電性能良好、熱膨脹系數極低，因此應用十分廣泛，發展前景良好[1]。

球形二氧化硅的制備工藝

目前，國內外球形硅微粉的制備工藝主要包括物理法和化學法，物理法包括機械球磨法、噴霧法、火焰成球法、高溫熔融噴射法、等離子體法、自蔓延低溫燃燒法、火焰熔融法；化學法主要是氣相法、溶膠-凝膠法、沉淀法、微乳液法等[3-4]。

2.1 物理法

2.1.1 機械研磨法

機械研磨法采用專業的破碎設備和輔助篩分設備，制得超細粉體。按照物料狀態分為干法和濕法兩類，濕法研磨以水為載體介質，攪拌磨研磨顆粒，制備出分散性好、粒徑均一的超細產品[5]。

2.1.2 噴霧法

噴霧干燥法是將液體原料通過噴霧干燥機快速烘干后獲得樣品的方法，液體原料經過霧化器形成極細的霧滴，霧滴同熱空氣接觸，內部水分向外遷移，原料顆粒團聚，干燥后得到所需產物[5]。

2.1.3 火焰成球法

火焰法是工業化生產球形硅微粉最常見的方法?；鹧娉汕蚍ǖ墓に嚵鞒虨椋菏紫葘Ω呒兪⑸斑M行粉碎、篩分和提純等前處理，然后將石英微粉送入燃氣-氧氣產生的高溫場中，進行高溫熔融、冷卻成球，最終形成高純度球形硅微粉[3]。

火焰法采用高純氧氣與高純可燃烷烴形成的焰束控制球化區的溫度。在設備設計中采用多個火焰噴槍以維持溫度場的穩定，使得硅微粉原料表面受熱更均勻，球化效果更好[6]?；鹧娉汕蚍〞玫胶芏嗬碚摚缌黧w力學與熱力學等，比等離子體高溫火焰優點更加明顯，在制備球形硅微粉時不用考慮電磁場內離子流動等現象，生產工藝更加簡單，有利于大規模工業化生產，發展前景較好[7]。

2.1.4 高溫熔融噴射法

高溫熔融噴射法是將高純度石英在2100~2500℃下熔融為液體，經過噴霧、冷卻，得到球形硅微粉，產品表面光滑，球形化率和非晶形率均可達到100%。

據調研，美國的球形硅微粉主要采用此法生產的，由于涉及到高性能計算機技術，他們對外嚴密封鎖。此法最易保證球化率和無定形率，但不易解決純度和霧化粒徑調整等問題[4]。

2.1.5 等離子體法

等離子體法是利用電弧等離子體矩所產生的高溫區使二氧化硅粉或石英粉熔化成液滴，在表面張力作用下成球，冷卻后形成球形二氧化硅顆粒。此法能量高、傳熱快、冷卻快，所制備的產品形貌可控、純度高、無團聚[3]。

中國科學院過程工程研究所從20世紀70年代開始在國內率先開展了熱等離子技術的化工應用研究，經過長期的積累，已形成了完備的熱等離子體技術平臺，不僅形成了熱等離子體設備研發能力，且利用感應和直流熱等離子體的特點，結合粉體生長調控技術，研發了包括氧化硅等離子體粉體球化在內的多種具有特色的特種粉體制備技術[8]。

2.1.6 自蔓延低溫燃燒法

自蔓延低溫燃燒法的工藝流程包括硅酸鈉的制備、硅酸溶膠的制備、混合燃燒液的制備、燃燒反應、退火除碳、洗滌處理等步驟。該方法的優點是以天然結晶型硅微粉或熔融硅微粉為原料，易得；工藝簡單，無特殊設備要求，操作方便，易于控制，生產成本低；生產過程中使用的材料僅包含極易溶于水的鈉離子和硝酸根離子，不會引入其它雜質離子，有利于高純硅微粉的制備。目前，該方法只是停留在實驗室階段，還不能很好的大規模生產[3]。

2.1.7 火焰熔融法

以角形硅微粉為原料，對其進行粉碎、篩分、提純等前處理，即將角形硅微粉通過氣流破碎機破碎，經過多級預處理后，篩分到合適粒徑；采用乙炔、天然氣等氣體作為熔融粉體的熱源，其火焰潔凈無污染，將合適粒徑的角形硅微粉采用高溫火焰熔融法將其高溫瞬間熔化，并快速冷卻球化成形，得到高純度且粒徑均勻的球形硅微粉[9]。

日本電化學株式會社公司的電化熔融硅石(DF)球狀(FB·FBX)產品是將粉碎的原料硅石在高溫的火焰中熔融，利用表面張力而球狀化的熔融硅石；日本雅都瑪的ADMAFUSE是平均粒徑為5至30μm的球形無定形二氧化硅產品，采用熔融法生產；聯瑞新材通過十余年的研究開發掌握的高溫球化技術，攻克了火焰法制備電子級球形硅微粉過程中的粘壁、積炭、粘聚等一系列技術難題和瓶頸；錦藝新材在行業成熟的火焰熔融球化工序基礎上，形成了具有一定性能優勢的體系化火焰熔融球硅技術。

2.1.8 高溫煅燒球化法

高溫煅燒球化法是指將粗選后的天然石英礦粉體在堿性條件下陳化，再過濾；將濾料脫水干燥，再加入粘結劑得到塊狀樣品，然后在高溫爐中煅燒，冷卻后再分散，通過磨粉球化、磁選及風選分級，最后制成高純度的超細球形硅微粉。

該方法所得產物球化率高、白度好、純度高、具備較好的流動性和分散性，目前仍處于實驗室階段[5]。

2.1.9直燃/VMC法

由于火焰熔融球硅屬于天然礦物粉體熔融球化，因此在純度和粒徑分布方面存在一定限制，少數國外領先企業采用VMC制備方法，即通過金屬硅粉直接與氧氣反應，從而制備純度較高、粒度小、粒徑分布相對可控的二氧化硅微球。

VMC法最初由日本雅都瑪開發。它利用金屬粉末的爆燃來產生球形氧化物顆粒，當金屬粉末撒在氧氣流中并點燃時，由于反應熱，產生的氧化物會變成蒸汽或液體。冷卻后，會產生細小的氧化物顆粒；國內錦藝新材BQ系列球硅產品為單質硅經燃燒、氣化凝結而成，再經提純、超細分級、表面處理等工藝制造而成。

2.2 化學法

化學合成法球形硅微粉由于既有合成路徑及后端加工技術水平的限制，業內僅有少數廠商能夠在較高水平下穩定保證顆粒分散度、球化率和表面光滑程度等技術指標。錦藝新材SE系列球硅產品經過化學合成、表面處理、超細分級等多種工藝制造而成。公司自主形成的梯度煅燒和高壓解聚技術和高效合成技術。

2.2.1氣相法

氣相法是通過對物質的氣態化轉換后，采取化學反應與物理反應等方法，最終在冷卻、凝聚后能夠得到納米微粒。從氣相法制備球形硅微粉原理來看，主要是硅的鹵化物在高溫水解后形成的精細無定形淀粉材料[7]。

氣相法SiO2產品純度高、平均原生粒徑為7~40 nm、比表面積50~380m2/ g、SiO2質量分數不小于99.8%，但在有機物中難以分散[4]。

2.2.2 溶膠凝膠法

溶膠一凝膠法是金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而形成的氧化物或其他化合物固體的方法。此法的優點是化學均勻性好、顆粒細、純度高、設備簡單、粉體活性高，但原材料較貴、顆粒間燒結性差、干燥時收縮性大及易出現團聚等問題[3]。

2.2.3 沉淀法

在SiO2制備過程中通過應用沉淀法時，將選擇水玻璃、酸化劑等原料，同時加入適量的表面活性劑，在整個制備環節中應該注意對溫度的控制，若是pH值超過8后需要加入穩定劑，并在洗滌、干燥及煅燒后形成球形硅微粉。

該方法制備得到的球形硅微粉粒徑非常均勻，成本很低，工藝流程簡單，有利于控制。能夠在工業生產中進行應用，不過缺陷是可能發生團聚的問題[7]。

2.2.4 微乳液法

微乳液是在表面活性劑作用下本不相容的兩相形成均勻乳液，該方法利用兩相界面間的微小空間，在硅源引導下成核生長，通過熱處理后得到球形二氧化硅或石英顆粒[5]。

球形二氧化硅的主要應用

3.1 覆銅板

隨著電子行業的快速發展，覆銅板作為電子電路的基礎材料，其性能要求越來越高。特別是在高頻、高速、高可靠性電子產品中，覆銅板的耐熱性能成為影響其使用壽命和可靠性的關鍵因素，直接關系到電子產品的可靠性和穩定性。

硅微粉具有良好的填充性能、電絕緣性能和熱穩定性，將其添加到覆銅板中，可以有效提高基板的耐熱性。二氧化硅的形狀是決定填充量的重要因素之一。與角形二氧化硅相比，球形二氧化硅具有更高的堆積密度和均勻的應力分布，因此可增加體系的流動，與其他種類硅微粉相比，球形二氧化硅填充性、熱膨脹性、磨損性等方面均具有較大的優勢[10]。

3.2 環氧塑封料

環氧塑封料是電子封裝過程中所使用的關鍵材料, 其在微電子封裝領域占據了全球97%以上的市場, 廣泛應用于半導體元器件、汽車、軍事、航空等諸多領域。微電子封裝領域的大規模應用是環氧塑封料發展的重支柱之一[11]。

為考慮封裝過程所使用加料口大小以及所封裝電子元件的尺寸大小，球形硅微粉的粒徑也需要嚴格控制。目前環氧塑封料所用球形硅微粉的粒徑范圍在1 μm到100μm不等。較大粒徑的顆粒往往會在環氧塑封料的固化成型過程中發生沉降，造成組分上的不均勻，影響環氧塑封料的可靠性。為提升球形硅微粉在環氧塑封料內填充率的同時保持塑封料良好的流動性，一些產品會采用不同粒徑的球形硅微粉互摻形成某種級配關系來提高堆積效率，從而提高球形硅微粉的填充量，提升環氧塑封料的導熱性能，降低熱膨脹系數，控制成本。在摻入環氧塑封料基體前，球形硅微粉一般要經過表面改性來改善其與環氧樹脂基體間的界面結合，以獲得更好的物理力學性能和導熱性能[6]。

結語

高球形硅微粉作為大規模集成電路的必備關鍵戰略材料，在航空航天、超級計算機、新一代信息技術、軍工、安防等軍民高新技術領域具有廣泛應用，然而長期以來制備球形硅微粉的技術主要被日本、美國等國家壟斷，國內能夠生產球形硅微粉的企業為數不多，僅有部分技術較為先進的企業具有生產能力，因此研發高性能球形硅生產工藝，實現球形硅微粉國產化技術，對推動我國集成電路高端產品的開發，保障國家產業安全和產業健康發展具有重要意義。

參考文獻：
[1] 李培錕,李碧柳,蘇煒欽.超細球形硅微粉的制備與性能表征[J].上海化工,2024,49(06):11-14.
[2] 阮建軍,張建平,顧光磊,馮寶琦,曹家凱,孫小耀.干法改性電子級球形二氧化硅微粉及其變色研究[J].當代化工研究,2025,(05):1-5.
[3] 阮建軍.球形硅微粉的研究進展[J].科技視界,2013,(33):417-418+415.
[4] 李俊,蔣述興.球形硅微粉的制備現狀[J].有機硅材料,2012,26(06):427-431.
[5] 陳顏.球形二氧化硅的火焰熔融法制備研究及其在復合材料中的應用探索[D]. 河南大學, 2024.
[6] 陳獨旭.球形硅微粉改性對環氧塑封料性能影響的研究[D]. 濟南大學, 2023.
[7] 李勇,王新宇.球形硅微粉制備方法與應用研究[A]2020年中國非金屬礦科技與市場交流大會論文集[C].建筑材料工業技術情報研究所, 建筑材料工業技術情報研究所, 2020: 3.
[8] 袁方利,金化成,侯果林,白柳楊,丁飛,李保強,陳運法.高頻熱等離子體制備特種粉體研究進展[J].過程工程學報,2018,18(06):1139-1145.
[9] 謝強,管登高,楊輝勇.火焰熔融法制備電子封裝用球形硅微粉制備與表征[J].當代化工研究,2022,(11):18-20.
[10] 柴頌剛,劉潛發,曾耀德,李曉冬,曹家凱.球形二氧化硅在覆銅板中的應用[J].印制電路信息,2018,26(12):23-26.
[11] 耿學輝,易生平,賈浩哲,李麗芬,張巍,阮建軍,曹家凱,黃馳.烷氧基硅烷低聚物改性球形硅微粉及其應用[J].有機硅材料,2024,38(05):8-12.

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