Tegen de achtergrond van de snelle iteratie van de elektronische informatie-industrie in de richting van miniaturisatie, werking op hoge- frequentie en hoge betrouwbaarheid, wordt siliciummicro-poeder, als een cruciaal fundamenteel nieuw materiaal dat de ontwikkeling van hoogwaardige-elektronica ondersteunt, geconfronteerd met voortdurend stijgende prestatiedrempels. Conventioneel verwerkte gemalen siliciummicro-poederdeeltjes lijden vanwege hun onregelmatige morfologie aan inherente defecten zoals een slechte stroombaarheid van het poeder, een lage pakkingsdichtheid en een uitgesproken materiaalspanningsconcentratie. Wanneer ze worden toegepast op elektronische inkapselingsmaterialen, leiden deze defecten gemakkelijk tot barsten in het substraat, onvoldoende vlakheid en fluctuaties in diëlektrische eigenschappen, waardoor ze ongeschikt worden voor de precisie en hoge integratie-eisen van geavanceerde elektronische apparaten. Bijgevolg is sferonisatiemodificatie naar voren gekomen als de belangrijkste doorbraak voor het upgraden van de siliciummicro-poederindustrie van goedkope- goedkope verwerking naar hoogwaardige- productie van fijne nieuwe- materialen.
Momenteel omvatten de reguliere sferonisatietechnologieën voor siliciummicro-poeder op de markt voornamelijk mechanische vorming, vlamfusie, directe verbranding/VMC-methode, plasmasferonisatie en chemische synthesemethoden:
01 Mechanische vormmethode
De mechanische vormgevingsmethode is het meest basale fysieke modificatieproces, waarbij voornamelijk gebruik wordt gemaakt van hoge- mechanische roer-, slag- en slijp-/vormprincipes. Er wordt gebruik gemaakt van gespecialiseerde vormapparatuur zoals hoge- slagmolens en media- roermolens om continue mechanische actie uit te oefenen op gemalen siliciummicro-poeder, waarbij scherpe randen en hoeken geleidelijk worden afgerond om de rondheid van de deeltjes te verbeteren en oppervlaktedefecten te repareren. Het breekt ook harde agglomeraten af, waardoor de bulkdichtheid en de vloeibaarheid worden verbeterd.
De voordelen van de mechanische vormmethode liggen in de lage kosten, het volledige gebruik van bestaande hulpbronnen, het eenvoudige proces, de milieuvriendelijkheid en de industriële schaalbaarheid. De sferische deeltjesverhouding, klopdichtheid en verwerkingsopbrengst van het resulterende poeder kunnen echter niet op betrouwbare wijze worden gegarandeerd, waardoor het alleen geschikt is voor de productie van sferische poeders met lagere kwaliteitseisen.
02 Flame Fusion-methode
De vlamfusiemethode is momenteel de belangrijkste technologische route voor de industrialisatie van bolvormig silicapoeder in China, gekenmerkt door volwassen technologie, relatief lage totale productiekosten, grote capaciteit en geschiktheid voor grootschalige continue productie op grote schaal. Concreet wordt hoekig silicapoeder als grondstof gebruikt, dat voor-behandelingsstappen ondergaat, zoals straalmalen, meer-fasig zeven en zuivering. Het poeder van de juiste grootte wordt vervolgens in een hoge- vlam geleid, waar de deeltjes onmiddellijk smelten en onder oppervlaktespanning samentrekken tot bolvormige vormen, gevolgd door snelle afkoeling en stolling.
De warmtebron bij de vlammethode maakt doorgaans gebruik van schone gassen zoals acetyleen of aardgas, waardoor een schone vlam zonder verontreiniging ontstaat. Het resultaat van de sferonisatie wordt echter aanzienlijk beïnvloed door factoren zoals de deeltjesgrootte van de grondstof, het vlamtemperatuurveld, de verblijftijd en de voedingsstabiliteit. Onjuiste procescontrole kan leiden tot problemen zoals deeltjesagglomeratie, holle bollen, verbreding van de deeltjesgrootteverdeling, onvoldoende sferonisatieconsistentie en lage sferonisatiesnelheden voor ultrafijne en submicronpoeders.
03 Plasma-sferonisatiemethode
De plasma-sferonisatiemethode is een techniek die gebruik maakt van de hoge- energietoestand van plasma voor materiaalverwerking. Het principe ervan bestaat uit het plaatsen van siliciummicro-poeder dat ultra-fijn gemalen is en chemische onzuiverheden verwijderd heeft, in een plasmareactor. Het poeder wordt snel gesmolten in de hoge- temperatuurzone van de plasmatoorts, vormt vervolgens bolvormige druppels onder oppervlaktespanning en stolt na snelle afkoeling tot bolvormige deeltjes. Vergeleken met de vlamfusiemethode wordt plasmasferonisatie gekenmerkt door een extreem korte blootstellingsduur aan hoge- temperaturen, waardoor kristallijne fasetransformatie van silica effectief wordt vermeden. Bovendien zorgt het dankzij de hoge mate van automatisering en goede stabiliteit voor hogere sferonisatiesnelheden, superieure uniformiteit van de deeltjesgrootte en een extreem laag onzuiverheidsgehalte.
Niettemin wordt deze methode nog steeds geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen bij de acceptatie op industriële- schaal. Ten eerste wordt thermisch plasma voornamelijk verwarmd door elektriciteit, en er is sprake van aanzienlijke verliezen tijdens de omzetting van elektrische energie in plasma, wat resulteert in een laag energieverbruik en bijgevolg hoge verwarmingskosten. Ten tweede wordt het vermogen van inductiethermische plasmageneratoren beperkt door stroomvoorzieningsapparatuur, en stroomvoorzieningen met een hoog vermogen zijn kostbaar en vergen aanzienlijke kapitaalinvesteringen, waardoor industriële toepassingen beperkt worden. Bovendien blijft kernapparatuur zoals plasmasferonisatieovens gemonopoliseerd door Japanse en Duitse bedrijven. De hoge initiële investeringskosten zijn ook een kritische factor die de grootschalige toepassing ervan beperkt.
04 Directe verbranding/VMC-methode
De directe verbrandingsmethode (ook bekend als de VMC-methode) is oorspronkelijk ontwikkeld door het Japanse Admatechs en wordt beschouwd als een klassiek benchmarkproces op het gebied van mondiale hoogwaardige halfgeleiderverpakkingen. Bij deze methode wordt als grondstof gebruik gemaakt van zeer-zuiver metaalsiliciumpoeder. Het ultrafijne metallische siliciumpoeder wordt gelijkmatig gedispergeerd in een zuurstofstroom om een gecontroleerde deflagratiereactie te ondergaan, waarbij silica wordt gegenereerd. Tegelijkertijd zorgt de ogenblikkelijke ultra-hoge reactiewarmte die vrijkomt bij siliciumoxidatie ervoor dat het gegenereerde silica onmiddellijk smelt en verdampt, waarna het zich -verandert onder oppervlaktespanning en snel afkoelt en stolt, waarbij in situ amorfe bolvormige silicadeeltjes worden gevormd. Gedurende het hele proces maakt nauwkeurige controle van de zuurstofconcentratie, temperatuur en stroomsnelheid een fijne regeling van de deeltjesgrootte en morfologie mogelijk.
Vergeleken met andere fysieke methoden overwint de VMC-methode de onzuiverheidsbeperkingen van natuurlijke kwartsertsgrondstoffen. Door te synthetiseren uit metallisch silicium met een hoge- zuiverheid, bereikt het product een extreem laag gehalte aan metaalonzuiverheden, geen resterende kristallijne fase, uitstekende diëlektrische eigenschappen, een smalle deeltjesgrootteverdeling, uitstekende monodispersiteit en extreem hoge deeltjesrondheid. De productconsistentie overtreft ruimschoots die van traditionele vlammethoden. De producten worden voornamelijk gebruikt in scenario's met hoge-waarde-, zoals hoogwaardige- halfgeleiderverpakkingen en hoog- elektronische materialen met hoge frequentie. Omdat de deflagratiereactie van metallisch siliciumpoeder echter extreem hoge nauwkeurigheid van apparatuurafdichtingen en parametercontrolesystemen vereist, zijn de investerings- en onderhoudskosten van apparatuur aanzienlijk, is procesveiligheidsbeheer uitzonderlijk uitdagend, zijn de productiedrempels hoog en is het technologische monopolie sterk -op lange termijn gedomineerd- door de Japanse Admatechs.
05 Chemische synthesemethode
Chemische synthesemethoden omvatten voornamelijk sol-gel-, gas-fasesynthese, micro-emulsiereactie, precipitatie/zaadgroei en andere. In tegenstelling tot de post-behandelingslogica van fysieke modificatie, maakt dit proces gebruik van silaanvoorlopers, zeer-zuivere silicaten, enz., als grondstoffen. Door de hydrolyse, condensatie, kernvorming en deeltjesgroeiprocessen van de siliciumbron te controleren, worden bolvormige silicadeeltjes direct in situ op moleculair niveau gesynthetiseerd, zonder afhankelijk te zijn van gemalen kwartspoeder als grondstof. Het product heeft een extreem hoge zuiverheid en vertoont een groter potentieel in termen van fijne deeltjesgroottes, nauwe grootteverdelingen en structurele ontwerpbaarheid.
Als we de klassieke sol{0}}gel-methode als voorbeeld nemen, wordt het Stöber-systeem gebruikt, waarbij tetraethylorthosilicaat (TEOS) als siliciumbron wordt gebruikt in een basisch (bijvoorbeeld ammoniak) katalytisch ethanol-watergemengd oplosmiddelsysteem voor hydrolyse- en condensatiereacties. TEOS hydrolyseert eerst om silanolmonomeren te vormen, die dehydratatiecondensatie ondergaan om silica (SiO₂)-oligomeren te vormen, en uiteindelijk op kernen groeien om monodisperse silicamicrosferen te produceren. Voor de bereiding van bolvormige deeltjes met een grotere diameter- kunnen zaadgroei- en precipitatiemethoden worden toegepast die secundaire kiemvorming onderdrukken en de epitaxiale groei van bestaande deeltjes bevorderen.