U pozadini brze iteracije industrije elektronskih informacija prema minijaturizaciji, visoko-radu na visokoj frekvenciji i visokoj pouzdanosti, silicijum mikro-prašak, kao kritični temeljni novi materijal koji podržava razvoj vrhunske{2}}elektronike, suočava se sa kontinuiranim porastom pragova performansi. Konvencionalno obrađene drobljene silicijumske mikro{4}}čestice praha, zbog svoje nepravilne morfologije, pate od inherentnih nedostataka kao što su slaba protočnost praha, niska gustina pakovanja i izražena koncentracija naprezanja materijala. Kada se primjenjuju na materijale za elektronske inkapsulacije, ovi defekti lako dovode do pucanja podloge, nedovoljne ravnosti i fluktuacija u dielektričnim svojstvima, čineći ih neprikladnim za preciznost i visoke-zahtjeve integracije naprednih elektronskih uređaja. Posljedično, modifikacija sferonizacije se pojavila kao ključni proboj za nadogradnju industrije silicijumskog mikro-praška sa niske-grupe obrade na visoko-proizvodnju novih finih{11}}materijala.
Trenutno, glavne tehnologije sferonizacije silicijumskog mikro-praha na tržištu prvenstveno uključuju mehaničko oblikovanje, fuziju plamena, metodu direktnog sagorijevanja/VMC, sferonizaciju plazme i metode kemijske sinteze:
01 Metoda mehaničkog oblikovanja
Metoda mehaničkog oblikovanja je najosnovniji proces fizičke modifikacije, koji se prvenstveno oslanja na{0}}principe mehaničkog miješanja, udara i mljevenja/oblikovanja velike brzine. Koristi specijaliziranu opremu za oblikovanje kao što su-udarni mlinovi velike brzine i mlinovi s miješanjem medija{3}}za primjenu kontinuiranog mehaničkog djelovanja na drobljeni silicijumski mikro-prašak, progresivno zaokružujući oštre ivice i uglove kako bi se poboljšala kružnost čestica i popravili površinski defekti. Takođe razbija tvrde aglomerate, povećavajući nasipnu gustinu i tečnost.
Prednosti metode mehaničkog oblikovanja leže u niskoj cijeni, potpunom korištenju postojećih resursa, jednostavnom procesu, ekološkoj prihvatljivosti i industrijskoj skalabilnosti. Međutim, omjer sfernih čestica, gustina i obrada dobivenog praha ne može se pouzdano garantirati, što ga čini pogodnim samo za proizvodnju sfernog praha sa nižim zahtjevima za kvalitetom.
02 Metoda plamene fuzije
Metoda plamene fuzije je trenutno osnovni tehnološki put za industrijalizaciju sferičnog praha silicijum dioksida u Kini, koju karakterizira zrela tehnologija, relativno niski ukupni troškovi proizvodnje, veliki kapacitet i pogodnost za kontinuiranu proizvodnju velikih-razmjera. Konkretno, ugaoni prah silicijum dioksida se koristi kao sirovina, koja se podvrgava koracima prethodnog tretmana kao što su mljevenje mlaza, više{3}}prosijavanje i prečišćavanje. Prah odgovarajuće veličine se zatim ubacuje u plamen visoke{5}}temperature, gdje se čestice trenutno tope i skupljaju u sferne oblike pod površinskom napetošću, nakon čega slijedi brzo hlađenje i skrućivanje.
Izvor toplote u metodi plamena obično koristi čiste gasove kao što su acetilen ili prirodni gas, čime se dobija čist plamen bez kontaminacije. Međutim, na ishod sferonizacije značajno utiču faktori uključujući veličinu čestica sirovog materijala, temperaturno polje plamena, vreme zadržavanja i stabilnost hranjenja. Nepravilna kontrola procesa može dovesti do problema kao što su aglomeracija čestica, šuplje sfere, proširenje raspodjele veličine čestica, nedovoljna konzistencija sferonizacije i niske stope sferonizacije za ultrafine i submikronske prahove.
03 Metoda sferonizacije plazme
Metoda sferonizacije plazme je tehnika koja koristi visoko{0}}energetsko stanje plazme za obradu materijala. Njegov princip uključuje stavljanje silicijumskog mikro-praha koji je prošao ultra-fino mljevenje i uklanjanje hemijskih nečistoća u plazma reaktor. Prašak se brzo topi u zoni visoke{5}}temperature plazma baklje, zatim formira sferne kapljice pod površinskim naponom, a nakon brzog hlađenja učvršćuje se u sferne čestice. U poređenju sa metodom fuzije plamena, sferonizacija plazmom karakteriše izuzetno kratko trajanje izlaganja visokoj-temperaturi, što efikasno izbegava kristalnu faznu transformaciju silicijum dioksida. Štaviše, zbog svog visokog stepena automatizacije i dobre stabilnosti, obezbeđuje veće stope sferonizacije, superiornu uniformnost veličine čestica i izuzetno nizak sadržaj nečistoća.
Ipak, ova metoda se još uvijek suočava sa značajnim izazovima u industrijskom{0}}usvojenju. Prvo, termalna plazma se uglavnom zagrijava električnom energijom, a dolazi do znatnih gubitaka prilikom pretvaranja električne energije u plazmu, što rezultira niskim korištenjem energije i posljedično visokim troškovima grijanja. Drugo, snaga indukcijskih generatora termalne plazme je ograničena opremom za napajanje, a napajanje velike{3}}napone je skupo, što uključuje značajna kapitalna ulaganja, što ograničava industrijsku primjenu. Osim toga, osnovna oprema kao što su peći za sferonizaciju plazme i dalje je monopolizirana od strane japanskih i njemačkih kompanija. Visoki početni troškovi ulaganja također su kritični faktor koji ograničava njegovu-primenu u velikim razmjerima.
04 Direktno sagorijevanje/VMC metoda
Metodu direktnog sagorijevanja (također poznatu kao VMC metoda) je prvobitno razvila japanska kompanija Admatechs i smatra se klasičnim referentnim procesom u globalnom{0}}oblasti za pakiranje poluvodiča vrhunskog kvaliteta. Ova metoda koristi metalni silicijum u prahu visoke- čistoće kao sirovinu. Ultrafini metalni silicijum u prahu je jednolično raspršen u struji kiseonika da bi prošao kroz kontrolisanu reakciju deflagracije, stvarajući silicijum dioksid. Istovremeno, trenutna ultra{5}}reakciona toplota oslobođena oksidacijom silicijuma uzrokuje da se stvoreni silicijum topi i trenutno ispari, a zatim se ponovo -oblikuje pod površinskim naponom i brzo se hladi i stvrdnjava, formirajući amorfne sferne čestice silicijum dioksida in situ. Tokom cijelog procesa, precizna kontrola koncentracije kisika, temperature i brzine protoka omogućava finu regulaciju veličine i morfologije čestica.
U poređenju sa drugim fizičkim metodama, VMC metoda prevazilazi ograničenja nečistoća prirodnih sirovina rude kvarca. Sintetizacijom iz metalnog silicijuma visoke- čistoće, proizvod postiže izuzetno nizak sadržaj metalnih nečistoća, bez rezidualne kristalne faze, odlične dielektrične osobine, usku distribuciju veličine čestica, izvanrednu monodisperznost i izuzetno visoku okruglost čestica. Njegova konzistencija proizvoda daleko nadmašuje onu kod tradicionalnih metoda plamena. Proizvodi se uglavnom koriste u scenarijima velike-vrijednosti-dodatne vrijednosti kao što su vrhunska poluvodička ambalaža-i visoko{7}}precizni elektronski materijali visoke frekvencije. Međutim, budući da reakcija deflagracije metalnog silicijumskog praha zahteva izuzetno visoku zaptivanje opreme i preciznost sistema za kontrolu parametara, troškovi ulaganja u opremu i održavanje su značajni, upravljanje bezbednošću procesa je izuzetno izazovno, proizvodni pragovi su visoki, a tehnološki monopol je jak-dominiran dugoročno{{10}od strane japanske kompanije Admatech.
05 Metoda hemijske sinteze
Metode hemijske sinteze uglavnom uključuju sol-gel, sintezu u gasnoj- fazi, mikroemulzijsku reakciju, precipitaciju/rast sjemena i druge. Za razliku od logike fizičke modifikacije nakon -obrade, ovaj proces koristi prekursore silana, silikate visoke -čistoće, itd., kao sirovine. Kontrolom hidrolize izvora silicijuma, kondenzacije, nukleacije i procesa rasta čestica, sferne čestice silicijum dioksida se sintetiziraju direktno in situ na molekularnom nivou, bez oslanjanja na sirovine iz drobljenog kvarcnog praha. Proizvod je izuzetno visoke čistoće i pokazuje veći potencijal u smislu finih veličina čestica, uske distribucije veličine i strukturalne mogućnosti.
Uzimajući klasičnu sol-gel metodu kao primjer, koristi Stöberov sistem, koristeći tetraetil ortosilikat (TEOS) kao izvor silicijuma u bazičnom (npr. amonijak) katalitičkom etanolu-mješovitom sistemu rastvarača za hidrolizu i kondenzacijske reakcije. TEOS prvo hidrolizira kako bi se formirali silanolni monomeri, koji su podvrgnuti dehidracijskoj kondenzaciji kako bi se formirali oligomeri silicijum dioksida (SiO₂), koji na kraju rastu na jezgrama da bi se dobile monodisperzne silicijumske mikrosfere. Za pripremu sferičnih čestica većeg prečnika -, mogu se primijeniti metode rasta sjemena i taloženja koje potiskuju sekundarnu nukleaciju i promoviraju epitaksijalni rast postojećih čestica.