Na pozadí rýchlej iterácie elektronického informačného priemyslu smerom k miniaturizácii, vysokofrekvenčnej prevádzke a vysokej spoľahlivosti kremíkový mikro-prášok, ako zásadný základný nový materiál podporujúci vývoj špičkovej{2}}elektroniky, čelí neustále sa zvyšujúcim prahovým hodnotám výkonu. Bežne spracované rozdrvené kremíkové mikro-častice v dôsledku ich nepravidelnej morfológie trpia prirodzenými defektmi, ako je zlá tekutosť prášku, nízka hustota zloženia a výrazná koncentrácia namáhania materiálu. Keď sa tieto chyby aplikujú na materiály na zapuzdrenie elektroniky, tieto chyby ľahko vedú k praskaniu substrátu, nedostatočnej rovinnosti a kolísaniu dielektrických vlastností, čo ich robí nevhodnými pre presnosť a vysoké-integračné požiadavky pokročilých elektronických zariadení. V dôsledku toho sa úprava sféronizácie ukázala ako kľúčový prelom pri inovácii priemyslu kremíkových mikro-práškov z nízkej-triedy, hrubého spracovania na špičkovú{10}}výrobu nových{11}}materiálov.
V súčasnosti medzi hlavné technológie sferonizácie kremíkového mikro-prášku na trhu patrí predovšetkým mechanické tvarovanie, fúzia plameňom, metóda priameho spaľovania/VMC, plazmová sféronizácia a metódy chemickej syntézy:
01 Metóda mechanického tvarovania
Metóda mechanického tvarovania je najzákladnejší proces fyzikálnej úpravy, ktorý sa opiera predovšetkým o-vysokorýchlostné mechanické miešanie, nárazy a princípy mletia/tvarovania. Využíva špecializované tvarovacie zariadenia, ako sú vysokorýchlostné rázové mlyny a mlyny s miešaním s médiom-, ktoré nepretržite mechanicky pôsobia na drvený kremíkový mikro-prášok, pričom postupne zaobľujú ostré hrany a rohy, aby sa zlepšila kruhovitosť častíc a opravili sa povrchové defekty. Rozbíja tiež tvrdé aglomeráty, čím zvyšuje objemovú hustotu a tekutosť.
Výhody metódy mechanického tvarovania spočívajú v nízkej cene, plnom využití existujúcich zdrojov, jednoduchom procese, šetrnosti k životnému prostrediu a priemyselnej škálovateľnosti. Pomer sférických častíc, hustotu po strasení a výťažok spracovania výsledného prášku však nemožno spoľahlivo zaručiť, takže je vhodný len na výrobu sférického prášku s nižšími požiadavkami na kvalitu.
02 Metóda fúzie plameňom
Metóda tavenia plameňom je v súčasnosti hlavnou technologickou cestou industrializácie sférického prášku oxidu kremičitého v Číne, ktorá sa vyznačuje vyspelou technológiou, relatívne nízkymi celkovými výrobnými nákladmi, veľkou kapacitou a vhodnosťou pre-kontinuálnu výrobu vo veľkom meradle. Ako surovina sa konkrétne používa práškový oxid kremičitý, ktorý prechádza pred-krokmi úpravy, ako je tryskové mletie, viacstupňové preosievanie{3}} a čistenie. Prášok vhodnej veľkosti sa potom privádza do vysokoteplotného plameňa, kde sa častice okamžite roztopia a pod povrchovým napätím sa stiahnu do guľovitých tvarov, po čom nasleduje rýchle ochladenie a stuhnutie.
Zdroj tepla v plameňovej metóde zvyčajne využíva čisté plyny, ako je acetylén alebo zemný plyn, čím sa získa čistý plameň bez kontaminácie. Výsledok sferonizácie je však významne ovplyvnený faktormi vrátane veľkosti častíc suroviny, teplotného poľa plameňa, doby zotrvania a stability podávania. Nesprávne riadenie procesu môže viesť k problémom, ako je aglomerácia častíc, duté guľôčky, rozšírenie distribúcie veľkosti častíc, nedostatočná konzistencia sferonizácie a nízke rýchlosti sferonizácie pre ultrajemné a submikrónové prášky.
03 Metóda plazmovej sféronizácie
Metóda sféronizácie plazmy je technika, ktorá využíva na spracovanie materiálu vysoko{0}}energetický stav plazmy. Jeho princíp spočíva v umiestnení silikónového mikro-prášku, ktorý prešiel ultra-jemným mletím a odstránením chemických nečistôt, do plazmového reaktora. Prášok sa rýchlo roztopí vo vysokoteplotnej zóne plazmového horáka, potom vytvára sférické kvapôčky pod povrchovým napätím a po rýchlom ochladení tuhne na sférické častice. V porovnaní s metódou plameňovej fúzie sa sféronizácia plazmy vyznačuje extrémne krátkym trvaním vystavenia vysokým-teplotám, čo účinne zabraňuje transformácii kryštalickej fázy oxidu kremičitého. Navyše vďaka vysokému stupňu automatizácie a dobrej stabilite zaisťuje vyššiu rýchlosť sféronizácie, vynikajúcu jednotnosť veľkosti častíc a extrémne nízky obsah nečistôt.
Napriek tomu táto metóda stále čelí značným problémom pri zavádzaní-priemyselného rozsahu. Po prvé, tepelná plazma sa ohrieva hlavne elektrinou a pri premene elektrickej energie na plazmu dochádza k značným stratám, čo vedie k nízkej spotrebe energie a následne vysokým nákladom na vykurovanie. Po druhé, výkon indukčných tepelných plazmových generátorov je obmedzený napájacím zariadením a vysokonapäťové{3}}napájacie zdroje sú nákladné a zahŕňajú značné kapitálové investície, čo obmedzuje priemyselné aplikácie. Okrem toho, základné vybavenie, ako sú plazmové sferonizačné pece, zostáva monopolizované japonskými a nemeckými spoločnosťami. Vysoké počiatočné investičné náklady sú tiež kritickým faktorom, ktorý obmedzuje jeho rozsiahle-používanie.
04 Priame spaľovanie/metóda VMC
Metódu priameho spaľovania (známu aj ako metóda VMC) pôvodne vyvinula japonská spoločnosť Admatechs a je považovaná za klasický benchmarkový proces v celosvetovej oblasti špičkových{0}}balení polovodičov. Pri tejto metóde sa ako surovina používa-kovový kremíkový prášok vysokej čistoty. Ultrajemný prášok kovového kremíka je rovnomerne dispergovaný v prúde kyslíka, aby sa podrobil riadenej deflagračnej reakcii, pri ktorej vzniká oxid kremičitý. Okamžité ultra-vysoké reakčné teplo uvoľnené oxidáciou kremíka súčasne spôsobí, že sa generovaný oxid kremičitý roztopí a okamžite vyparí, potom sa pod povrchovým napätím pretvorí- a rýchlo sa ochladí a stuhne, čím sa in situ vytvoria amorfné sférické častice oxidu kremičitého. V priebehu celého procesu umožňuje presné riadenie koncentrácie kyslíka, teploty a rýchlosti prúdenia jemnú reguláciu veľkosti a morfológie častíc.
V porovnaní s inými fyzikálnymi metódami prekonáva metóda VMC obmedzenia nečistôt prírodných kremenných rudných surovín. Syntézou z-kovového kremíka s vysokou čistotou produkt dosahuje extrémne nízky obsah kovových nečistôt, žiadnu zvyškovú kryštalickú fázu, vynikajúce dielektrické vlastnosti, úzku distribúciu veľkosti častíc, vynikajúcu monodisperzitu a extrémne vysokú guľatosť častíc. Jeho konzistencia ďaleko prevyšuje tradičné metódy plameňa. Produkty sa používajú predovšetkým v scenároch s vysokou-pridanou hodnotou{5}}, ako sú napríklad špičkové-balenie polovodičov a vysokofrekvenčné presné elektronické materiály. Pretože si však deflagračná reakcia kovového kremíkového prášku vyžaduje extrémne vysokú presnosť utesnenia zariadenia a systému kontroly parametrov, investície do zariadenia a náklady na údržbu sú značné, riadenie bezpečnosti procesov je mimoriadne náročné, výrobné prahy sú vysoké a technologický monopol-dlhodobe dominujú-japonskí admatechovia.
05 Metóda chemickej syntézy
Metódy chemickej syntézy zahŕňajú najmä sol-gél, syntézu v plynnej-fáze, mikroemulznú reakciu, zrážanie/rast semien a iné. Na rozdiel od logiky fyzickej modifikácie, ktorá formovala po úprave, tento proces využíva ako suroviny silánové prekurzory, -silikáty vysokej čistoty atď. Riadením hydrolýzy zdroja kremíka, kondenzácie, nukleácie a procesov rastu častíc sa sférické častice oxidu kremičitého syntetizujú priamo in situ na molekulárnej úrovni bez toho, aby sa museli spoliehať na suroviny z drveného kremenného prášku. Produkt má extrémne vysokú čistotu a vykazuje väčší potenciál z hľadiska veľkosti jemných častíc, úzkej distribúcie veľkosti a štrukturálnej navrhovateľnosti.
Ako príklad uvádzame klasickú sol-gélovú metódu, ktorá využíva Stöberov systém s použitím tetraetylortosilikátu (TEOS) ako zdroja kremíka v zásaditom (napr. amoniak) katalytickom etanolovom -vodnom zmiešanom rozpúšťadlovom systéme na hydrolýzu a kondenzačné reakcie. TEOS najskôr hydrolyzuje za vzniku silanolových monomérov, ktoré podliehajú dehydratačnej kondenzácii za vzniku oligomérov oxidu kremičitého (SiO₂), prípadne rastú na jadrách za vzniku monodisperzných mikroguľôčok oxidu kremičitého. Na prípravu guľovitých častíc s väčším -priemerom možno použiť metódy rastu semien a precipitácie, ktoré potláčajú sekundárnu nukleáciu a podporujú epitaxný rast existujúcich častíc.