Sähköisen tietoteollisuuden nopean iteroinnin taustalla kohti miniatyrisointia, korkean taajuuden toimintaa ja korkeaa luotettavuutta piimikro-jauhe, joka on uusi kriittinen perusta korkealaatuisen-elektroniikan kehitystä tukevana materiaalina, kohtaa jatkuvasti nousevia suorituskykykynnyksiä. Perinteisesti käsitellyt murskatut piimikro{4}-jauhehiukkaset kärsivät epäsäännöllisen morfologiansa vuoksi luontaisista vioista, kuten jauheen huonosta juoksevuudesta, alhaisesta pakkaustiheydestä ja voimakkaasta materiaalin jännityspitoisuudesta. Kun niitä käytetään elektronisiin kapselimateriaaleihin, nämä viat johtavat helposti alustan halkeilemiseen, riittämättömään tasaisuuteen ja dielektristen ominaisuuksien vaihteluihin, mikä tekee niistä sopimattomia edistyneiden elektronisten laitteiden tarkkuuteen ja korkeisiin integrointivaatimuksiin. Näin ollen sferonisointimodifikaatiosta on tullut keskeinen läpimurto piimikro{8}}jauheteollisuuden päivittämisessä matalan-karkean jalostuksen korkealuokkaiseksi{10}}laadukkaaksi uusien{11}}materiaalien valmistukseen.
Tällä hetkellä markkinoilla olevat piimikro{0}}jauheen sferonisointitekniikat sisältävät pääasiassa mekaanisen muotoilun, liekkifuusion, suorapoltto-/VMC-menetelmän, plasmasferonisoinnin ja kemiallisen synteesimenetelmän:
01 Mekaaninen muotoilumenetelmä
Mekaaninen muotoilumenetelmä on yksinkertaisin fyysinen muokkausprosessi, joka perustuu ensisijaisesti nopeaan{0}}mekaaniseen sekoitus-, isku- ja hionta-/muotoiluperiaatteisiin. Se käyttää erikoistuneita muotoilulaitteita, kuten{2}}nopeita iskumyllyjä ja väliaine-sekoitettuja myllyjä, jotka kohdistavat jatkuvan mekaanisen vaikutuksen murskattuun piimikro-jauheeseen, pyöristävät asteittain teräviä reunoja ja kulmia hiukkasten pyöreyden parantamiseksi ja pintavirheiden korjaamiseksi. Se myös hajottaa kovia agglomeraatteja, mikä parantaa bulkkitiheyttä ja juoksevuutta.
Mekaanisen muotoilumenetelmän edut ovat alhaiset kustannukset, olemassa olevien resurssien täysi hyödyntäminen, yksinkertainen prosessi, ympäristöystävällisyys ja teollinen skaalautuvuus. Tuloksena olevan jauheen pallomaista hiukkassuhdetta, tärytiheyttä ja prosessointisaantoa ei kuitenkaan voida taata luotettavasti, joten se soveltuu vain pallomaiseen jauheen tuotantoon, jossa laatuvaatimukset ovat alhaisemmat.
02 Flame Fusion -menetelmä
Liekkifuusiomenetelmä on tällä hetkellä ydinteknologinen reitti pallomaisen piidioksidijauheen teollistuksessa Kiinassa, jolle on ominaista kypsä tekniikka, suhteellisen alhaiset kokonaistuotantokustannukset, suuri kapasiteetti ja soveltuvuus laajamittaiseen jatkuvaan tuotantoon. Erityisesti raaka-aineena käytetään kulmikasta piidioksidijauhetta, jolle suoritetaan esikäsittelyvaiheet, kuten suihkujauhatus, monivaiheinen seulonta ja puhdistus. Sopivan kokoinen jauhe syötetään sitten korkean lämpötilan liekkiin, jossa hiukkaset sulavat välittömästi ja supistuvat pallomaisiin muotoihin pintajännityksen vaikutuksesta, minkä jälkeen se jäähtyy ja jähmettyy nopeasti.
Liekkimenetelmän lämmönlähteenä käytetään tyypillisesti puhtaita kaasuja, kuten asetyleeniä tai maakaasua, jolloin saadaan puhdas liekki ilman kontaminaatiota. Sferonisaatiotulokseen vaikuttavat kuitenkin merkittävästi tekijät, kuten raaka-aineen hiukkaskoko, liekin lämpötilakenttä, viipymäaika ja syöttöstabiilisuus. Väärä prosessin ohjaus voi johtaa ongelmiin, kuten hiukkasten agglomeroitumiseen, ontoihin palloihin, hiukkaskokojakauman levenemiseen, riittämättömään pallomaisuuskonsistenssiin ja alhaisiin pallomaisuusnopeuksiin ultrahienoilla ja submikronisilla jauheilla.
03 Plasman sferonisointimenetelmä
Plasmasferonisointimenetelmä on tekniikka, joka hyödyntää plasman korkean{0}energisen tilan materiaalinkäsittelyssä. Sen periaatteena on, että plasmareaktoriin asetetaan piimikro-jauhe, joka on läpihieno-hienonnut ja poistettu kemiallisesti epäpuhtaudet. Jauhe sulaa nopeasti plasmapolttimen korkean lämpötilan alueella, muodostaa sitten pintajännityksen alaisena pallomaisia pisaroita ja jähmettyy pallomaisiksi hiukkasiksi nopean jäähdytyksen jälkeen. Verrattuna liekkifuusiomenetelmään plasmasferonisoinnilla on erittäin lyhyt altistuminen korkealle-lämpötilalle, mikä estää tehokkaasti piidioksidin kiteisen faasin muuntumisen. Lisäksi korkean automaatioasteensa ja hyvän vakauden ansiosta se varmistaa korkeammat sferonisaationopeudet, erinomaisen hiukkaskoon tasaisuuden ja erittäin alhaisen epäpuhtauspitoisuuden.
Tästä huolimatta tämä menetelmä kohtaa edelleen merkittäviä haasteita{0}}teollisen mittakaavan käyttöönotossa. Ensinnäkin lämpöplasmaa lämmitetään pääasiassa sähköllä, ja sähköenergian muuntamisessa plasmaksi tapahtuu huomattavia häviöitä, mikä johtaa alhaiseen energiankäyttöön ja siten korkeisiin lämmityskustannuksiin. Toiseksi induktiolämpöplasmageneraattoreiden tehoa rajoittavat virtalähdelaitteet, ja suuret-teholähteet ovat kalliita, ja niihin liittyy huomattavia pääomasijoituksia, mikä rajoittaa teollisia sovelluksia. Lisäksi ydinlaitteet, kuten plasmasferonisointiuunit, ovat edelleen japanilaisten ja saksalaisten yritysten monopoliasemassa. Korkeat alkuinvestointikustannukset ovat myös kriittinen tekijä, joka rajoittaa sen laajaa-käyttöä.
04 Suorapoltto/VMC-menetelmä
Suorapolttomenetelmän (tunnetaan myös nimellä VMC-menetelmä) on alun perin japanilainen Admatechs kehittänyt, ja sitä pidetään klassisena vertailuprosessina globaalilla huippuluokan puolijohteiden pakkausalalla. Tämä menetelmä käyttää raaka-aineena erittäin-puhdasta metallista piijauhetta. Ultrahieno metallinen piijauhe dispergoidaan tasaisesti happivirtaan läpikäymään kontrolloidun palamisreaktion, jolloin syntyy piidioksidia. Samanaikaisesti piin hapettumisesta vapautuva hetkellinen ultra{5}}korkea reaktiolämpö saa syntyneen piidioksidin sulamaan ja höyrystymään välittömästi, sitten muotoutumaan uudelleen-pintajännityksen alaisena ja jäähtymään nopeasti ja jähmettymään muodostaen amorfisia pallomaisia piidioksidihiukkasia in situ. Koko prosessin ajan tarkka happipitoisuuden, lämpötilan ja virtausnopeuden säätö mahdollistaa hiukkaskoon ja morfologian hienosäädön.
Muihin fysikaalisiin menetelmiin verrattuna VMC-menetelmä voittaa luonnonkvartsimalmiraaka-aineiden epäpuhtausrajoitukset. Syntetisoimalla korkean -puhtausmetallisesta piistä tuotteessa saavutetaan erittäin alhainen metalliepäpuhtauspitoisuus, ei jäännöskiteistä faasia, erinomaiset dielektriset ominaisuudet, kapea hiukkaskokojakautuma, erinomainen monodispersiteetti ja erittäin korkea pyöreys partikkeleilla. Sen tuotteen koostumus ylittää selvästi perinteisten liekkimenetelmien. Tuotteita käytetään pääasiassa korkean-lisäarvon-skenaarioissa, kuten korkealuokkaisissa-puolijohdepakkauksissa ja korkeataajuisissa{7}}tarkkuuselektroniikkamateriaaleissa. Koska metallisen piijauheen syttymisreaktio vaatii kuitenkin erittäin suurta laitteiden tiivistys- ja parametrien ohjausjärjestelmän tarkkuutta, laiteinvestointi- ja ylläpitokustannukset ovat huomattavia, prosessien turvallisuuden hallinta on poikkeuksellisen haastavaa, tuotantokynnykset ovat korkeat ja teknologinen monopoli on vahva -hallitsemassa{10}}japanilaisten Admatechien pitkällä aikavälillä.
05 Kemiallinen synteesimenetelmä
Kemiallisiin synteesimenetelmiin kuuluvat pääasiassa sooli-geeli, kaasu-faasisynteesi, mikroemulsioreaktio, saostus/siementen kasvatus ja muut. Tämä prosessi käyttää raaka-aineina silaanin esiasteita, korkean -puhtaussilikaatteja jne. fysikaalisen muuntamisen jälkeisestä-muokkauslogiikasta poiketen. Hallitsemalla piilähteen hydrolyysi-, kondensaatio-, ydintymis- ja hiukkasten kasvuprosesseja, pallomaisia piidioksidihiukkasia syntetisoidaan suoraan in situ molekyylitasolla ilman, että murskattujen kvartsijauheiden raaka-aineisiin turvaudutaan. Tuote on erittäin puhdasta ja sillä on suurempi potentiaali hienojen hiukkaskokojen, kapeiden kokojakaumien ja rakenteellisen mitoituksen suhteen.
Esimerkkinä klassisesta sooli{0}}geelimenetelmästä, se käyttää Stöber-järjestelmää, jossa tetraetyyliortosilikaattia (TEOS) käytetään piilähteenä emäksisessä (esim. ammoniakki) katalyyttisessä etanoli-vesisekoitusliuotinjärjestelmässä hydrolyysi- ja kondensaatioreaktioihin. TEOS hydrolysoituu ensin muodostaen silanolimonomeereja, jotka läpikäyvät dehydraatiokondensaatiota, jolloin muodostuu piidioksidi (SiO2) oligomeereja, jotka lopulta kasvavat ytimissä tuottaen monodispergoituja piidioksidimikropalloja. Halkaisijaltaan suurempien -pallomaisten hiukkasten valmistukseen voidaan käyttää siementen kasvatus- ja saostusmenetelmiä, jotka estävät sekundaarisen nukleaation ja edistävät olemassa olevien hiukkasten epitaksiaalista kasvua.