På baggrund af den hurtige iteration af den elektroniske informationsindustri i retning af miniaturisering, høj-frekvensdrift og høj pålidelighed står siliciummikro-pulver, som et kritisk grundlæggende nyt materiale, der understøtter udviklingen af high-elektronik, over for løbende eskalerende ydeevnetærskler. Konventionelt behandlede knuste siliciummikro-partikler lider på grund af deres uregelmæssige morfologi af iboende defekter såsom dårlig pulverflydeevne, lav pakningsdensitet og udtalt materialespændingskoncentration. Når de påføres elektroniske indkapslingsmaterialer, fører disse defekter let til substratrevner, utilstrækkelig fladhed og fluktuationer i dielektriske egenskaber, hvilket gør dem uegnede til præcisions- og-integrationskravene fra avancerede elektroniske enheder. Som følge heraf er sfæroniseringsmodifikation dukket op som kernegennembruddet for opgradering af siliciummikro-pulverindustrien fra lav-, grov forarbejdning til high{10}}end, fin ny-materialefremstilling.
I øjeblikket omfatter de almindelige sfæroniseringsteknologier til siliciummikro-pulver på markedet primært mekanisk formgivning, flammefusion, direkte forbrænding/VMC-metode, plasmasfæronisering og kemiske syntesemetoder:
01 Mekanisk formgivningsmetode
Den mekaniske formningsmetode er den mest grundlæggende fysiske modifikationsproces, der primært er afhængig af højhastigheds-mekanisk omrøring, slag og slibning/formning. Den anvender specialiseret formgivningsudstyr såsom høj-hastighedsstødmøller og medie-omrørte møller til at anvende kontinuerlig mekanisk virkning på knust siliciummikro-pulver, gradvist afrunde skarpe kanter og hjørner for at forbedre partikelcirkulæriteten og reparere overfladefejl. Det bryder også hårde agglomerater op, hvilket forbedrer bulkdensiteten og flydeevnen.
Fordelene ved den mekaniske formgivningsmetode ligger i dens lave omkostninger, fuld udnyttelse af eksisterende ressourcer, enkel proces, miljøvenlighed og industriel skalerbarhed. Imidlertid kan det sfæriske partikelforhold, tapdensiteten og forarbejdningsudbyttet af det resulterende pulver ikke garanteres pålideligt, hvilket gør det kun egnet til sfærisk pulverproduktion med lavere kvalitetskrav.
02 Flammefusionsmetode
Flammefusionsmetoden er i øjeblikket den centrale teknologiske rute for industrialiseringen af sfærisk silicapulver i Kina, kendetegnet ved moden teknologi, relativt lave samlede produktionsomkostninger, stor kapacitet og egnethed til stor-kontinuerlig produktion. Specifikt bruges kantet silicapulver som råmateriale, som gennemgår for-behandlingstrin såsom jetfræsning, fler-sining og oprensning. Det passende størrelse pulver føres derefter ind i en høj-temperaturflamme, hvor partiklerne smelter øjeblikkeligt og trækker sig sammen til sfæriske former under overfladespænding, efterfulgt af hurtig afkøling og størkning.
Varmekilden i flammemetoden anvender typisk rene gasser såsom acetylen eller naturgas, hvilket giver en ren flamme uden forurening. Imidlertid er sfæroniseringsresultatet væsentligt påvirket af faktorer, herunder råmaterialets partikelstørrelse, flammetemperaturfelt, opholdstid og fodringsstabilitet. Ukorrekt proceskontrol kan føre til problemer såsom partikelagglomerering, hule kugler, udvidelse af partikelstørrelsesfordelingen, utilstrækkelig sfæroniseringskonsistens og lave sfæroniseringshastigheder for ultrafine og submikronpulvere.
03 Plasmasfæroniseringsmetode
Plasmasfæroniseringsmetoden er en teknik, der udnytter plasmas høje-energitilstand til materialebehandling. Dens princip involverer at placere siliciummikro-pulver, der har gennemgået ultra-fin formaling og fjernelse af kemiske urenheder, i en plasmareaktor. Pulveret smeltes hurtigt i plasmabrænderens høje-temperaturzone, danner derefter sfæriske dråber under overfladespænding og størkner til sfæriske partikler efter hurtig afkøling. Sammenlignet med flammefusionsmetoden har plasmasfæronisering en ekstremt kort varighed af høj-temperatureksponering, hvilket effektivt undgår krystallinsk fasetransformation af silica. På grund af sin høje grad af automatisering og gode stabilitet sikrer den desuden højere sfæroniseringshastigheder, overlegen partikelstørrelsesensartethed og ekstremt lavt indhold af urenheder.
Ikke desto mindre står denne metode stadig over for betydelige udfordringer ved brug i industriel-skala. For det første opvarmes termisk plasma hovedsageligt af elektricitet, og der er betydelige tab under omdannelsen af elektrisk energi til plasma, hvilket resulterer i lav energiudnyttelse og som følge heraf høje varmeomkostninger. For det andet er kraften i termiske induktionsplasmageneratorer begrænset af strømforsyningsudstyr, og høje-strømforsyninger er dyre, hvilket involverer betydelige kapitalinvesteringer, hvilket begrænser industrielle anvendelser. Derudover forbliver kerneudstyr såsom plasmasfæroniseringsovne monopoliseret af japanske og tyske virksomheder. De høje initiale investeringsomkostninger er også en kritisk faktor, der begrænser dens store-anvendelse.
04 Direkte forbrænding/VMC-metode
Den direkte forbrændingsmetode (også kendt som VMC-metoden) blev oprindeligt udviklet af japanske Admatechs og betragtes som en klassisk benchmarkproces inden for det globale-avancerede halvlederemballeringsfelt. Denne metode bruger høj-ren metallisk siliciumpulver som råmateriale. Det ultrafine metalliske siliciumpulver er ensartet dispergeret i en oxygenstrøm for at gennemgå en kontrolleret deflagreringsreaktion, der genererer silica. Samtidig får den øjeblikkelige ultra-høje reaktionsvarme, der frigives ved siliciumoxidation, det genererede silica til at smelte og fordampe øjeblikkeligt, for derefter at om-forme under overfladespænding og hurtigt afkøle og størkne, hvorved der dannes amorfe sfæriske silicapartikler in situ. Gennem hele processen muliggør præcis kontrol af iltkoncentration, temperatur og strømningshastighed finregulering af partikelstørrelse og morfologi.
Sammenlignet med andre fysiske metoder overvinder VMC-metoden urenhedsbegrænsningerne ved naturlige kvartsmalmråmaterialer. Ved at syntetisere fra høj-ren metallisk silicium opnår produktet et ekstremt lavt indhold af metalurenheder, ingen resterende krystallinsk fase, fremragende dielektriske egenskaber, en snæver partikelstørrelsesfordeling, enestående monodispersitet og ekstrem høj partikelrundhed. Dens produktkonsistens overgår langt den traditionelle flammemetode. Produkterne bruges hovedsageligt i scenarier med høj-værdi-som f.eks. høj-halvlederemballage og elektroniske materialer med høj-højfrekvent præcision. Men fordi deflagrationsreaktionen af metallisk siliciumpulver kræver ekstremt høj udstyrsforsegling og parameterkontrolsystempræcision, er udstyrsinvesteringer og vedligeholdelsesomkostninger betydelige, processikkerhedsstyring er usædvanligt udfordrende, produktionstærsklerne er høje, og det teknologiske monopol er stærkt-domineret på lang sigt af Japans Admatechs.
05 Kemisk syntesemetode
Kemiske syntesemetoder omfatter hovedsageligt sol-gel, gas-fasesyntese, mikroemulsionsreaktion, udfældning/frøvækst og andre. Til forskel fra den fysiske modifikations formgivningslogik efter-behandling bruger denne proces silanprækursorer, silikater med høj-renhed osv. som råmaterialer. Ved at kontrollere siliciumkildehydrolyse, kondensation, kernedannelse og partikelvækstprocesser syntetiseres sfæriske silicapartikler direkte in situ på molekylært niveau uden at være afhængig af knust kvartspulverråmaterialer. Produktet er af ekstrem høj renhed og udviser større potentiale i form af fine partikelstørrelser, snævre størrelsesfordelinger og strukturel designbarhed.
Tager den klassiske sol-gelmetode som eksempel, anvender den Stöber-systemet, der anvender tetraethylorthosilicat (TEOS) som siliciumkilde i et basisk (f.eks. ammoniak) katalytisk ethanol-vandblandet opløsningsmiddelsystem til hydrolyse- og kondensationsreaktioner. TEOS hydrolyserer først for at danne silanolmonomerer, som undergår dehydreringskondensering for at danne silica (SiO₂) oligomerer, der til sidst vokser på kerner for at producere monodisperse silicamikrosfærer. Til fremstilling af sfæriske partikler med større -diameter kan frøvækst og udfældningsmetoder, der undertrykker sekundær nukleation og fremmer den epitaksiale vækst af eksisterende partikler, anvendes.