石英球化过程中气-固两相流运动机理及其流体动力学研究

目前唯一能确保超大规模集成电路稳定工作的塑封填料- - 球形石英粉主要由高温熔融球化法制得，石英熔融时的液滴粘结问题是制约该技术发展的瓶颈。.项目以石英球化过程中高温高速气流与石英颗粒间的气-固两相流为研究对象，探讨其运动机理、建立其计算流体动力学模型，以揭示液滴粘结规律，最终实现液滴粘结率定量预测。拟采用流体力学方法研究球化炉内气流流态、流场温度分布、气固两相热交换规律、石英颗粒运动速度和轨迹、气流与石英颗粒相互作用；结合可视试验及球化试验，在FLUENT平台上建立气-固耦合流场的计算流体动力学模型并求解；通过球化试验，建立基于石英颗粒特性、球化工艺参数和球化炉结构的复杂耦合多因素的液滴粘结率定量预测模型。.通过研究，有望在两相传热机理、颗粒运动规律、液滴粘结规律等方面取得创新，为有效解决石英球化过程中液滴粘结难题提供依据。对其它工程中广泛存在的两相流研究也具有借鉴意义。

大规模集成电路的迅猛发展对其封装填料——球化石英粉的要求越来越高，而石英球化过程中的液滴粘结问题则是制约该技术发展的瓶颈。课题组根据任务书的要求开展研究工作，首先进行了球化炉结构等关键装备的优化，在此基础上进行了试验参数标定和应用试验。之后，借助流体力学仿真模拟软件的数字化方法，研究了高温熔融球化过程中的颗粒粘结问题，并在此基础上建立了石英球形化程度的定量预测模型。具体取得的成果如下：. 研究了送粉速率、气体流量、颗粒粒度、载气流量等主要工艺参数对石英球化率的影响，初步分析了颗粒粘结、结瘤的原因。进而对对试验装备进行了优化并进行了参数标定。将送粉器优化为超细微粉沸腾式，火焰燃烧器优化为轴向内送粉式、球化炉内衬为SiC陶瓷结构，同时对炉膛结构也进行了优化设计；将此球化过程进行了数学网格化建模和流体动力学仿真运算，探讨了球化炉内气流流态、流场温度分布、石英颗粒运动速度和轨迹，借以研究高温高速的燃烧气流与石英颗粒离散相之间气-固两相流的动能和热量的传递，确定了石英离散相在高温区中的气固两相热交换规律及相互作用情况。同时，针对单个或多个石英颗粒，我们建立了微米级气-固两相数值仿真模型，研究石英颗粒在高温环境下的传热-融化-形变（球化）过程，以及高温气氛中的双石英颗粒（液滴）碰撞融合过程，成功建立了基于石英颗粒特性、球化工艺参数和球化炉结构的复杂耦合多因素的液滴粘结率以及球形化程度定量预测模型。本项目将步骤复杂至涉及氧-乙炔化学反应、石英颗粒融化、微米级离散相等诸多仿真模块的球化炉膛模型，尺寸微小至微米级石英颗粒形变和碰撞模型以图形化和数字化的新方式进行了较为系统的研究和探讨。因此，在两相传热机理、颗粒运动规律、液滴粘结规律等方面具有一定的创新性。此模型的预测结果与实验研究的结果基本吻合，这为有效解决石英球化过程中液滴粘结难题提供了一定的理论依据。. 三年来，课题组根据任务书的要求按照研究计划开展研究工作，至此已经全部完成了项目任务书设计的研究内容。共发表科技论文10篇，其中SCI收录9篇，SCI源期刊接受9篇，EI收录1篇；另外向SCI源期刊投寄论文2篇；申请国家发明专利10项，其中授权9项。另外，参加国内外学术会议4次，赴美国华盛顿大学进行学术交流。共培养硕士、博士研究生3名。