У позадини брзе итерације индустрије електронских информација ка минијатуризацији, високо-операцији са високом фреквенцијом и високој поузданости, силицијум микро-прах, као критични темељни нови материјал који подржава развој врхунске{2} електронике, суочава се са континуираним повећањем прагова перформанси. Конвенционално обрађене дробљене силицијумске микро-честице праха, због своје неправилне морфологије, пате од инхерентних недостатака као што су лоша проточност праха, ниска густина паковања и изражена концентрација напона материјала. Када се примењују на материјале за електронске инкапсулације, ови дефекти лако доводе до пуцања подлоге, недовољне равности и флуктуација у диелектричним својствима, што их чини неподесним за прецизност и високе{6}}захтеве интеграције напредних електронских уређаја. Сходно томе, модификација сферонизације се појавила као кључно откриће за надоградњу индустрије силицијум микро-прашка са ниске-групе обраде на врхунску{10}}производњу нових финих{11}} материјала.
Тренутно, главне технологије сферонизације силицијумског микро-праха на тржишту првенствено укључују механичко обликовање, фузију пламена, метод директног сагоревања/ВМЦ, сферонизацију плазме и методе хемијске синтезе:
01 Метода механичког обликовања
Метода механичког обликовања је најосновнији процес физичке модификације, који се првенствено ослања на{0}}принципе механичког мешања, удара и млевења/обликовања велике брзине. Користи специјализовану опрему за обликовање као што су-ударни млинови велике брзине и млинови са мешањем медија-за примену континуираног механичког дејства на дробљени силицијум микро-прах, прогресивно заокружујући оштре ивице и углове како би се побољшала кружност честица и поправили површински дефекти. Такође разбија тврде агломерате, повећавајући насипну густину и течност.
Предности методе механичког обликовања леже у ниској цени, потпуном коришћењу постојећих ресурса, једноставном процесу, еколошкој прихватљивости и индустријској скалабилности. Међутим, сферни однос честица, густина у тапању и принос добијеног праха не могу се поуздано гарантовати, што га чини погодним само за производњу сферног праха са нижим захтевима за квалитет.
02 Метода фузије пламена
Метода пламене фузије је тренутно основни технолошки пут за индустријализацију сферичног праха силицијум диоксида у Кини, коју карактерише зрела технологија, релативно ниски укупни трошкови производње, велики капацитет и погодност за велику{0}}континуалну производњу. Конкретно, угаони прах силицијум диоксида се користи као сировина, која се подвргава корацима пре-третмана као што су млевење млаза, вишестепено просејавање и пречишћавање. Прах одговарајуће величине се затим убацује у пламен високе{5} температуре, где се честице тренутно топе и скупљају у сферне облике под површинским напоном, након чега следи брзо хлађење и очвршћавање.
Извор топлоте у методи пламена обично користи чисте гасове као што су ацетилен или природни гас, чиме се добија чист пламен без контаминације. Међутим, на исход сферонизације значајно утичу фактори укључујући величину честица сировог материјала, температурно поље пламена, време задржавања и стабилност храњења. Неправилна контрола процеса може довести до проблема као што су агломерација честица, шупље сфере, ширење дистрибуције величине честица, недовољна конзистенција сферонизације и ниске стопе сферонизације за ултрафине и субмикронске прахове.
03 Метода сферонизације плазме
Метода сферонизације плазме је техника која користи високо{0}}енергетско стање плазме за обраду материјала. Његов принцип укључује стављање силицијумског микро-праха који је прошао ултра-фино млевење и уклањање хемијских нечистоћа у плазма реактор. Прашак се брзо топи у зони високе{5}}температуре плазма бакље, затим формира сферне капљице под површинским напоном и очвршћава у сферне честице након брзог хлађења. У поређењу са методом фузије пламена, сферонизација плазмом карактерише изузетно кратко трајање излагања високој-температури, што ефикасно избегава кристалну фазну трансформацију силицијум диоксида. Штавише, због свог високог степена аутоматизације и добре стабилности, обезбеђује веће стопе сферонизације, супериорну униформност величине честица и изузетно низак садржај нечистоћа.
Ипак, овај метод се и даље суочава са значајним изазовима у индустријском{0}}усвојењу. Прво, термална плазма се углавном загрева електричном енергијом, а долази до значајних губитака током конверзије електричне енергије у плазму, што резултира ниским коришћењем енергије и последично високим трошковима грејања. Друго, снага индукционих генератора термалне плазме је ограничена опремом за напајање, а извори напајања велике{3}}напоне су скупи, укључујући значајна капитална улагања, што ограничава индустријску примену. Поред тога, основна опрема као што су пећи за сферонизацију плазме и даље је монополизована од стране јапанских и немачких компанија. Високи почетни трошкови улагања су такође критични фактор који ограничава његову-примену у великим размерама.
04 Метода директног сагоревања/ВМЦ
Методу директног сагоревања (такође познату као ВМЦ метода) је првобитно развила јапанска компанија Адматецхс и сматра се класичним реперним процесом у глобалном{0}}области за паковање полупроводника врхунског квалитета. Ова метода користи метални силицијум у праху високе{2}}чистоће као сировину. Ултрафини метални силицијум у праху се равномерно распршује у струји кисеоника да би се подвргао контролисаној реакцији дефлаграције, стварајући силицијум диоксид. Истовремено, тренутна ултра-реакциона топлота ослобођена оксидацијом силицијума узрокује да се створени силицијум топи и тренутно испари, а затим се поново -обликује под површинским напоном и брзо се хлади и учвршћује, формирајући аморфне сферне честице силицијум-диоксида ин ситу. Током читавог процеса, прецизна контрола концентрације кисеоника, температуре и брзине протока омогућава фину регулацију величине и морфологије честица.
У поређењу са другим физичким методама, ВМЦ метода превазилази ограничења нечистоћа природних сировина руде кварца. Синтетизацијом од металног силицијума високе{1}}чистоће, производ постиже изузетно низак садржај металних нечистоћа, без резидуалне кристалне фазе, одличне диелектричне особине, уску дистрибуцију величине честица, изузетну монодисперзност и изузетно високу округлост честица. Његова конзистенција производа далеко надмашује традиционалне методе пламена. Производи се углавном користе у сценаријима високе{4}}вредности-са додатом вредношћу као што су врхунска-амбалаже полупроводника и високо{7}}прецизни електронски материјали високе фреквенције. Међутим, пошто реакција дефлаграције металног силицијумског праха захтева изузетно високо заптивање опреме и прецизност система контроле параметара, трошкови улагања у опрему и одржавање су значајни, управљање безбедношћу процеса је изузетно изазовно, производни прагови су високи, а технолошким монополом јаким-дугорочним{{10}доминацијом{10}} Јапанска компанија Адматецх.
05 Метода хемијске синтезе
Методе хемијске синтезе углавном укључују сол-гел, синтезу у гасној- фази, микроемулзиону реакцију, преципитацију/раст семена и друге. За разлику од физичке модификације након{3}}обраде, овај процес користи прекурсоре силана, силикате високе{4}}чистоће, итд., као сировине. Контролом хидролизе извора силицијума, кондензације, нуклеације и процеса раста честица, сферичне честице силицијум диоксида се синтетишу директно ин ситу на молекуларном нивоу, без ослањања на сировине из дробљеног кварцног праха. Производ је изузетно високе чистоће и показује већи потенцијал у смислу финих величина честица, уске дистрибуције величине и могућности обликовања структуре.
Узимајући за пример класичну сол-гел методу, користи се Стоберов систем, користећи тетраетил ортосиликат (ТЕОС) као извор силицијума у базичном (нпр. амонијак) каталитичком етанол-водном мешаном систему растварача за реакције хидролизе и кондензације. ТЕОС прво хидролизује да би се формирали силанолни мономери, који се подвргавају кондензацији дехидратације да би се формирали олигомери силицијум диоксида (СиО₂), који на крају расту на језгрима да би произвели монодисперзне силицијумске микросфере. За припрему сферичних честица већег -пречника, могу се усвојити методе раста семена и таложења које потискују секундарну нуклеацију и промовишу епитаксијални раст постојећих честица.