Kadangi elektroninės informacijos pramonė sparčiai kartojasi link miniatiūrizavimo, didelio-dažnio veikimo ir didelio patikimumo, silicio mikro-milteliai, kaip svarbi nauja medžiaga, remianti aukščiausios klasės-elektronikos kūrimą, susiduria su nuolat didėjančiais našumo slenksčiais. Tradiciškai apdorotos susmulkintos silicio mikro{4}miltelių dalelės dėl netaisyklingos morfologijos turi būdingų defektų, tokių kaip prastas miltelių takumas, mažas pakavimo tankis ir ryški medžiagos įtempių koncentracija. Pritaikius elektroninėms kapsuliavimo medžiagoms, šie defektai lengvai sukelia pagrindo įtrūkimus, nepakankamą plokštumą ir dielektrinių savybių svyravimus, todėl jie yra netinkami pažangių elektroninių prietaisų tikslumui ir dideliems{6}}integravimo reikalavimams. Todėl sferonizacijos modifikavimas tapo esminiu laimėjimu atnaujinant silicio mikro{8} miltelių pramonę nuo žemos- klasės, šiurkščiavilnių apdirbimo iki aukštos{10}}pažangių, naujų medžiagų gamybos.
Šiuo metu pagrindinės silicio mikro{0}}miltelių sferonizacijos technologijos rinkoje visų pirma apima mechaninį formavimą, liepsnos lydymą, tiesioginio degimo / VMC metodą, plazmos sferonizavimą ir cheminės sintezės metodus:
01 Mechaninio formavimo metodas
Mechaninis formavimo metodas yra pats paprasčiausias fizinio modifikavimo procesas, visų pirma pagrįstas didelio{0}}mechaninio maišymo, smūgio ir šlifavimo / formavimo principais. Jame naudojama specializuota formavimo įranga, pvz., didelės spartos{2}}smūginės ir terpės-maišomos frezos, kad susmulkintam silicio mikro-miltrams būtų nuolatinis mechaninis veikimas, palaipsniui apvalinami aštrūs kraštai ir kampai, siekiant pagerinti dalelių apvalumą ir pašalinti paviršiaus defektus. Jis taip pat suskaido kietus aglomeratus, padidindamas tūrinį tankį ir takumą.
Mechaninio formavimo metodo pranašumai yra maža kaina, pilnas esamų išteklių panaudojimas, paprastas procesas, ekologiškumas ir pramoninis mastelio keitimas. Tačiau negalima patikimai garantuoti gautų miltelių sferinių dalelių santykio, sriegio tankio ir apdorojimo išeiga, todėl jie tinkami tik sferinių miltelių gamybai su žemesniais kokybės reikalavimais.
02 Liepsnos sintezės metodas
Liepsnos sintezės metodas šiuo metu yra pagrindinis technologinis sferinio silicio dioksido miltelių gamybos Kinijoje būdas, kuriam būdinga brandi technologija, santykinai mažos bendros gamybos sąnaudos, didelis pajėgumas ir tinkamumas didelio masto nepertraukiamai gamybai. Konkrečiai, kampiniai silicio dioksido milteliai naudojami kaip žaliava, kuriai atliekami išankstinio apdorojimo etapai, pvz., frezavimas srove, daugiapakopis sijojimas ir gryninimas. Tada tinkamo dydžio milteliai paduodami į aukštos temperatūros liepsną, kur dalelės akimirksniu išsilydo ir susitraukia į sferines formas esant paviršiaus įtempimui, o po to greitai atšaldoma ir sukietėja.
Liepsnos metodo šilumos šaltinyje paprastai naudojamos švarios dujos, tokios kaip acetilenas arba gamtinės dujos, todėl gaunama švari liepsna be užteršimo. Tačiau sferonizacijos rezultatui didelę įtaką daro veiksniai, įskaitant žaliavos dalelių dydį, liepsnos temperatūros lauką, buvimo laiką ir maitinimo stabilumą. Netinkamas proceso valdymas gali sukelti tokias problemas kaip dalelių aglomeracija, tuščiavidurės sferos, dalelių dydžio pasiskirstymas, nepakankamas sferonizacijos nuoseklumas ir mažas itin smulkių ir submikroninių miltelių sferonizacijos greitis.
03 Plazmos sferonizacijos metodas
Plazmos sferonizavimo metodas yra metodas, kurio metu medžiagai apdoroti naudojama didelė{0}}energinė plazmos būsena. Jo principas apima silicio mikro-miltelių, kurie buvo itin-smulkiai sumalti ir pašalintos cheminės priemaišos, įdėjimą į plazmos reaktorių. Milteliai greitai ištirpsta plazminio degiklio aukštos temperatūros zonoje, tada, esant paviršiaus įtempimui, susidaro sferiniai lašeliai, o po greito aušinimo sukietėja į sferines daleles. Palyginti su liepsnos sintezės metodu, plazmos sferonizacija pasižymi itin trumpu aukštos temperatūros poveikiu, todėl veiksmingai išvengiama silicio dioksido kristalinės fazės transformacijos. Be to, dėl didelio automatizavimo ir gero stabilumo jis užtikrina didesnį sferonizacijos greitį, puikų dalelių dydžio vienodumą ir ypač mažą priemaišų kiekį.
Nepaisant to, šis metodas vis dar susiduria su dideliais iššūkiais{0}}pramoniniu mastu. Pirma, šiluminė plazma daugiausia šildoma elektra, todėl elektros energiją paverčiant plazma patiriami dideli nuostoliai, todėl energijos panaudojimas yra mažas, o šildymo išlaidos yra didelės. Antra, indukcinių šiluminių plazmos generatorių galią riboja maitinimo įranga, o didelio-galios maitinimo šaltiniai yra brangūs, reikalaujantys didelių kapitalo investicijų, o tai riboja pritaikymą pramonėje. Be to, pagrindinę įrangą, tokią kaip plazmos sferonizavimo krosnys, monopolizuoja Japonijos ir Vokietijos įmonės. Didelės pradinės investicijos sąnaudos taip pat yra svarbus veiksnys, ribojantis plataus masto taikymą-.
04 Tiesioginio degimo/VMC metodas
Tiesioginio degimo metodą (taip pat žinomą kaip VMC metodą) iš pradžių sukūrė Japonijos „Admatechs“ ir jis laikomas klasikiniu etaloniniu procesu pasaulinėje aukščiausios klasės puslaidininkių pakavimo srityje. Taikant šį metodą kaip žaliava naudojami didelio-grynumo metalo silicio milteliai. Itin smulkūs metaliniai silicio milteliai tolygiai pasiskirsto deguonies sraute, kad būtų kontroliuojama degimo reakcija ir susidaro silicio dioksidas. Tuo pačiu metu dėl momentinės itin didelės reakcijos šilumos, kurią išskiria silicio oksidacija, susidaręs silicio dioksidas akimirksniu išsilydo ir išgaruoja, o tada, esant paviršiaus įtampai, keičia formą ir greitai atvėsta bei sukietėja, formuojant amorfines sferines silicio dioksido daleles in situ. Viso proceso metu tiksliai valdoma deguonies koncentracija, temperatūra ir srauto greitis leidžia tiksliai reguliuoti dalelių dydį ir morfologiją.
Palyginti su kitais fizikiniais metodais, VMC metodas įveikia natūralių kvarco rūdos žaliavų priemaišų apribojimus. Sintetinant iš didelio-grynumo metalinio silicio, gaminyje pasiekiamas itin mažas metalo priemaišų kiekis, nelieka kristalinės fazės, puikios dielektrinės savybės, siauras dalelių dydžio pasiskirstymas, išskirtinis monodispersiškumas ir itin didelis dalelių apvalumas. Savo gaminio konsistencija gerokai pranoksta tradicinių liepsnos metodų. Produktai dažniausiai naudojami didelės-vertės-scenarijuose, pvz., aukštos-puslaidininkinės pakuotės ir didelio-dažnio tikslios elektroninės medžiagos. Tačiau dėl metalinio silicio miltelių deflagracijos reakcijos reikia itin didelio įrangos sandarinimo ir parametrų valdymo sistemos tikslumo, investicijų į įrangą ir priežiūros sąnaudos yra didelės, procesų saugos valdymas yra ypač sudėtingas, gamybos slenksčiai yra aukšti, o technologinėje monopolijoje stiprią -ilgą laiką-dominuoja Japonijos Admatechs.
05 Cheminės sintezės metodas
Cheminės sintezės metodai daugiausia apima sol{0}}gelį, dujų-fazės sintezę, mikroemulsijos reakciją, nusodinimą / sėklų auginimą ir kt. Skirtingai nuo fizinių modifikacijų po-apdorojimo formavimo logikos, šiame procese kaip žaliavos naudojami silano pirmtakai, didelio-grynumo silikatai ir kt. Kontroliuojant silicio šaltinio hidrolizės, kondensacijos, branduolių susidarymo ir dalelių augimo procesus, sferinės silicio dalelės sintetinamos tiesiogiai in situ molekuliniu lygmeniu, nepasikliaujant susmulkintomis kvarco miltelių žaliavomis. Produktas yra labai grynas ir turi didesnį potencialą smulkių dalelių dydžių, siauro dydžio pasiskirstymo ir struktūrinio dizaino požiūriu.
Kaip pavyzdį imant klasikinį sol{0}}gelio metodą, jame naudojama Stöber sistema, naudojant tetraetilortosilikatą (TEOS) kaip silicio šaltinį bazinėje (pvz., amoniako) katalizinėje etanolio -vandens mišrioje tirpiklių sistemoje hidrolizės ir kondensacijos reakcijoms. TEOS pirmiausia hidrolizuojasi, kad susidarytų silanolio monomerai, kurie vyksta dehidratacijos kondensacijoje ir susidaro silicio dioksido (SiO₂) oligomerai, kurie galiausiai auga ant branduolių, kad susidarytų monodispersinės silicio dioksido mikrosferos. Norint paruošti didesnio skersmens sferines daleles, gali būti naudojami sėklų augimo ir nusodinimo metodai, kurie slopina antrinį branduolių susidarymą ir skatina esamų dalelių epitaksinį augimą.