V ozadju hitre ponovitve elektronske informacijske industrije v smeri miniaturizacije, visoko-frekvenčnega delovanja in visoke zanesljivosti se silicijev mikro-prašek kot kritičen temeljni nov material, ki podpira razvoj vrhunske-elektronike, sooča z nenehno naraščajočimi pragovi zmogljivosti. Konvencionalno obdelani delci zdrobljenega silicijevega mikro-praška imajo zaradi svoje nepravilne morfologije inherentne napake, kot so slaba pretočnost prahu, nizka gostota pakiranja in izrazita koncentracija napetosti v materialu. Ko jih nanesemo na materiale za elektronsko kapsulacijo, te napake takoj povzročijo razpoke na podlagi, nezadostno ravnost in nihanja dielektričnih lastnosti, zaradi česar niso primerni za natančnost in visoke-integracijske zahteve naprednih elektronskih naprav. Posledično se je modifikacija sferonizacije izkazala kot ključni preboj za nadgradnjo industrije mikro-silicijevega prahu iz nizko-cenovne, grobe obdelave v-visokokakovostno, fino-proizvodnjo novih materialov.
Trenutno glavne tehnologije sferonizacije za silicijev mikro{0}}prašek na trgu vključujejo predvsem mehansko oblikovanje, plamensko fuzijo, metodo neposrednega zgorevanja/VMC, plazemsko sferonizacijo in metode kemične sinteze:
01 Metoda mehanskega oblikovanja
Metoda mehanskega oblikovanja je najosnovnejši postopek fizičnega spreminjanja, ki se opira predvsem na principe mehanskega-mešanja visoke hitrosti, udarca in mletja/oblikovanja. Uporablja specializirano opremo za oblikovanje, kot so visoko{2}}hitrostni udarni mlini in-medijsko mešani mlini za neprekinjeno mehansko delovanje zdrobljenega silicijevega mikro-praška, postopno zaokroževanje ostrih robov in vogalov za izboljšanje krožnosti delcev in popravilo površinskih napak. Prav tako razbije trde aglomerate, s čimer poveča nasipno gostoto in pretočnost.
Prednosti metode mehanskega oblikovanja so nizki stroški, popolna izraba obstoječih virov, preprost postopek, okolju prijaznost in industrijska prilagodljivost. Vendar pa razmerja sferičnih delcev, gostote in izkoristka obdelave nastalega prahu ni mogoče zanesljivo zagotoviti, zaradi česar je primeren samo za proizvodnjo sferičnega prahu z nižjimi kakovostnimi zahtevami.
02 Metoda plamenske fuzije
Metoda plamenske fuzije je trenutno osrednja tehnološka pot za industrializacijo sferičnega kremenčevega prahu na Kitajskem, za katero so značilni zrela tehnologija, relativno nizki skupni proizvodni stroški, velika zmogljivost in primernost za-veliko obseg neprekinjene proizvodnje. Natančneje, kot surovina se uporablja oglati silicijev dioksid v prahu, ki je podvržen korakom pred-obdelave, kot so mletje s curkom, več-stopenjsko sejanje in čiščenje. Prašek ustrezne velikosti se nato dovede v visoko-temperaturni plamen, kjer se delci v trenutku stopijo in pod površinsko napetostjo skrčijo v sferične oblike, čemur sledi hitro ohlajanje in strjevanje.
Vir toplote pri metodi s plamenom običajno uporablja čiste pline, kot je acetilen ali zemeljski plin, ki dajejo čist plamen brez kontaminacije. Vendar pa na rezultat sferonizacije pomembno vplivajo dejavniki, vključno z velikostjo delcev surovine, temperaturnim poljem plamena, časom zadrževanja in stabilnostjo hranjenja. Neustrezna kontrola procesa lahko privede do težav, kot so aglomeracija delcev, votle krogle, razširitev porazdelitve velikosti delcev, nezadostna doslednost sferonizacije in nizke stopnje sferonizacije za ultrafine in submikronske prahove.
03 Metoda sferonizacije plazme
Metoda plazemske sferonizacije je tehnika, ki uporablja visoko{0}}energijsko stanje plazme za obdelavo materiala. Njegovo načelo vključuje namestitev silicijevega mikro-praška, ki je bil podvržen ultra-finemu mletju in odstranitvi kemičnih nečistoč, v plazemski reaktor. Prah se hitro stopi v visoko-temperaturnem območju plazemskega gorilnika, nato pod površinsko napetostjo tvori sferične kapljice in se po hitrem ohlajanju strdi v sferične delce. V primerjavi z metodo plamenske fuzije ima plazemska sferonizacija izjemno kratkotrajno izpostavljenost visoki-temperaturi, s čimer se učinkovito izogne kristalni fazni transformaciji silicijevega dioksida. Poleg tega zaradi svoje visoke stopnje avtomatizacije in dobre stabilnosti zagotavlja višje stopnje sferonizacije, vrhunsko enotnost velikosti delcev in izjemno nizko vsebnost nečistoč.
Kljub temu se ta metoda še vedno sooča z velikimi izzivi pri-uvajanju v industrijskem obsegu. Prvič, toplotna plazma se v glavnem segreva z elektriko in med pretvorbo električne energije v plazmo prihaja do znatnih izgub, kar ima za posledico nizek izkoristek energije in posledično visoke stroške ogrevanja. Drugič, moč indukcijskih toplotnih plazemskih generatorjev omejuje oprema za oskrbo z električno energijo, visoko{3}}napajalniki pa so dragi in zahtevajo znatne kapitalske naložbe, kar omejuje industrijsko uporabo. Poleg tega je glavna oprema, kot so peči za plazemsko sferonizacijo, še vedno v monopolu japonskih in nemških podjetij. Visoki začetni stroški naložbe so prav tako ključni dejavnik, ki omejuje njegovo-uporabo v velikem obsegu.
04 Metoda neposrednega zgorevanja/VMC
Metodo neposrednega zgorevanja (znano tudi kot metoda VMC) je prvotno razvil japonski Admatechs in velja za klasičen primerjalni postopek na globalnem-področju embalaže polprevodnikov višjega cenovnega razreda. Ta metoda kot surovino uporablja-kovinski silicijev prah visoke čistosti. Ultra fin kovinski silicijev prah je enakomerno razpršen v toku kisika, da se podvrže reakciji nadzorovane deflagracije, pri čemer nastane silicijev dioksid. Istočasno trenutna ultra-visoka reakcijska toplota, ki se sprošča pri oksidaciji silicija, povzroči, da se ustvarjeni silicijev dioksid takoj stopi in izhlapi, nato pa se preoblikuje pod površinsko napetostjo ter se hitro ohladi in strdi ter tvori amorfne sferične delce silicijevega dioksida in situ. V celotnem procesu natančna kontrola koncentracije kisika, temperature in hitrosti pretoka omogoča fino regulacijo velikosti in morfologije delcev.
V primerjavi z drugimi fizikalnimi metodami metoda VMC premaga omejitve nečistoč naravnih surovin kremenove rude. S sintezo iz kovinskega silicija visoke -čistosti izdelek doseže izjemno nizko vsebnost kovinskih nečistoč, brez ostankov kristalne faze, odlične dielektrične lastnosti, ozko porazdelitev velikosti delcev, izjemno monodisperznost in izjemno visoko okroglost delcev. Njegova konsistenca izdelka daleč presega konsistenco tradicionalnih metod plamena. Izdelki se večinoma uporabljajo v scenarijih-dodane-vrednosti, kot so polprevodniška embalaža-visokocenovnega razreda in-visokofrekvenčni natančni elektronski materiali. Ker pa reakcija deflagracije kovinskega silicijevega prahu zahteva izjemno visoko tesnjenje opreme in natančnost sistema za nadzor parametrov, so naložbe v opremo in stroški vzdrževanja znatni, upravljanje varnosti procesa je izjemno zahtevno, proizvodni pragovi so visoki in tehnološki monopol je močan-dolgoročno prevladuje-japonski Admatechs.
05 Metoda kemijske sinteze
Metode kemijske sinteze vključujejo predvsem sol-gel, sintezo v plinski-fazi, mikroemulzijsko reakcijo, obarjanje/rast semen in druge. Za razliko od logike fizikalne modifikacije po-obdelavi ta postopek kot surovine uporablja predhodne sestavine silana, -silikate visoke čistosti itd. Z nadzorovanjem hidrolize vira silicija, kondenzacije, nukleacije in procesov rasti delcev se sferični delci silicijevega dioksida sintetizirajo neposredno in situ na molekularni ravni, ne da bi se zanašali na surovine zdrobljenega kremenčevega prahu. Izdelek je izredno visoke čistosti in ima večji potencial v smislu drobnih velikosti delcev, ozke porazdelitve velikosti in strukturne zasnove.
Če za primer vzamemo klasično sol{0}}metodo z gelom, uporablja sistem Stöber, ki uporablja tetraetil ortosilikat (TEOS) kot vir silicija v bazičnem (npr. amoniak) katalitskem sistemu topil z mešanico etanola{3}}vode za reakcije hidrolize in kondenzacije. TEOS najprej hidrolizira, da tvori silanolne monomere, ki so podvrženi dehidracijski kondenzaciji, da tvorijo oligomere silicijevega dioksida (SiO₂), ki na koncu rastejo na jedrih, da proizvedejo monodisperzne mikrosfere silicijevega dioksida. Za pripravo sferičnih delcev z večjim-premerom je mogoče uporabiti metode rasti semena in obarjanja, ki zavirajo sekundarno nukleacijo in spodbujajo epitaksialno rast obstoječih delcev.