ท่ามกลางการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ไปสู่การย่อขนาด การทำงานที่มีความถี่สูง- และความน่าเชื่อถือสูง ผงไมโครซิลิกอน- ซึ่งเป็นวัสดุใหม่พื้นฐานที่สำคัญที่สนับสนุนการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไฮเอนด์- ต้องเผชิญกับเกณฑ์ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อนุภาคผงซิลิคอนไมโคร-บดที่ผ่านการประมวลผลตามปกติ เนื่องจากมีสัณฐานวิทยาที่ไม่สม่ำเสมอ ทำให้มีข้อบกพร่องโดยธรรมชาติ เช่น ความสามารถในการไหลของผงไม่ดี ความหนาแน่นของการอัดตัวต่ำ และความเข้มข้นของความเค้นของวัสดุที่เด่นชัด เมื่อนำไปใช้กับวัสดุห่อหุ้มแบบอิเล็กทรอนิกส์ ข้อบกพร่องเหล่านี้จะนำไปสู่การแตกร้าวของวัสดุพิมพ์ ความเรียบไม่เพียงพอ และความผันผวนของคุณสมบัติไดอิเล็กทริก ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับความแม่นยำและความต้องการในการบูรณาการสูง-ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง ด้วยเหตุนี้ การปรับเปลี่ยนทรงกลมจึงกลายเป็นความก้าวหน้าหลักในการยกระดับอุตสาหกรรมผงไมโคร-ซิลิคอนจากการประมวลผลแบบหยาบ-ขั้นต่ำไปจนถึง-ขั้นสูงซึ่งเป็นการผลิตวัสดุใหม่ที่ดี-
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการทำให้เป็นทรงกลมกระแสหลักสำหรับผงซิลิคอนไมโคร-ในตลาดโดยหลักๆ แล้วประกอบด้วยการสร้างรูปร่างเชิงกล การรวมเปลวไฟ การเผาไหม้โดยตรง/วิธี VMC การทำให้เป็นทรงกลมด้วยพลาสมา และวิธีการสังเคราะห์ทางเคมี:
01 วิธีการสร้างรูปร่างทางกล
วิธีการสร้างรูปร่างทางกลเป็นกระบวนการดัดแปลงทางกายภาพขั้นพื้นฐานที่สุด โดยอาศัยหลักการกวนเชิงกลด้วยความเร็วสูง{0}} การกระแทก และการบด/ขึ้นรูปเป็นหลัก ใช้อุปกรณ์สร้างรูปร่างแบบพิเศษ เช่น-โรงบดกระแทกความเร็วสูงและโรงบดสื่อ- เพื่อใช้การดำเนินการทางกลอย่างต่อเนื่องกับผงซิลิกอนไมโคร-ที่บด โดยค่อยๆ ปัดเศษขอบและมุมที่แหลมคมเพื่อปรับปรุงความเป็นวงกลมของอนุภาคและซ่อมแซมข้อบกพร่องที่พื้นผิว มันยังสลายกลุ่มที่แข็งตัว เพิ่มความหนาแน่นและความสามารถในการไหล
ข้อดีของวิธีการสร้างรูปร่างทางกลอยู่ที่ต้นทุนต่ำ การใช้ทรัพยากรที่มีอยู่อย่างเต็มที่ กระบวนการที่เรียบง่าย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และความสามารถในการขยายขนาดทางอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถรับประกันอัตราส่วนอนุภาคทรงกลม ความหนาแน่นของก๊อก และผลผลิตในการแปรรูปของผงที่เกิดขึ้นได้ ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตผงทรงกลมที่มีความต้องการคุณภาพต่ำกว่าเท่านั้น
02 วิธีหลอมเปลวไฟ
ปัจจุบันวิธีการหลอมเปลวไฟเป็นเส้นทางเทคโนโลยีหลักสำหรับอุตสาหกรรมผงซิลิกาทรงกลมในประเทศจีน โดยมีลักษณะเฉพาะด้วยเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่ ต้นทุนการผลิตโดยรวมค่อนข้างต่ำ กำลังการผลิตขนาดใหญ่ และความเหมาะสมสำหรับ-การผลิตต่อเนื่องขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผงซิลิกาเชิงมุมถูกใช้เป็นวัตถุดิบ ซึ่งต้องผ่านขั้นตอนการบำบัดล่วงหน้า- เช่น การกัดด้วยเจ็ท การกรองแบบหลาย- และการทำให้บริสุทธิ์ จากนั้น ผงที่มีขนาดเหมาะสมจะถูกป้อนเข้าไปในเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูง- ซึ่งอนุภาคจะละลายในทันทีและหดตัวเป็นรูปร่างทรงกลมภายใต้แรงตึงผิว ตามด้วยการทำความเย็นและการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว
แหล่งความร้อนในวิธีเปลวไฟมักใช้ก๊าซสะอาด เช่น อะเซทิลีนหรือก๊าซธรรมชาติ ทำให้เกิดเปลวไฟที่สะอาดไม่มีการปนเปื้อน อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ของการทำให้เป็นทรงกลมได้รับอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญจากปัจจัยต่างๆ เช่น ขนาดอนุภาคของวัตถุดิบ สนามอุณหภูมิเปลวไฟ เวลาพัก และความเสถียรในการป้อน การควบคุมกระบวนการที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การเกาะตัวกันของอนุภาค ทรงกลมกลวง การกระจายขนาดอนุภาคกว้างขึ้น ความสม่ำเสมอของการเกิดทรงกลมไม่เพียงพอ และอัตราการเกิดทรงกลมต่ำสำหรับผงละเอียดมากและต่ำกว่าไมครอน
03 วิธีพลาสมาสฟีโรไนเซชัน
วิธีพลาสมาสเฟียโรไนเซชันเป็นเทคนิคที่ใช้สถานะพลังงานสูง-ของพลาสมาสำหรับการแปรรูปวัสดุ หลักการนี้เกี่ยวข้องกับการใส่ผงซิลิคอนไมโคร-ที่ผ่านการบดละเอียดเป็นพิเศษ-และกำจัดสิ่งเจือปนทางเคมีลงในเครื่องปฏิกรณ์พลาสมา ผงถูกละลายอย่างรวดเร็วในโซนอุณหภูมิสูง-ของคบเพลิงพลาสมา จากนั้นก่อตัวเป็นหยดทรงกลมภายใต้แรงตึงผิว และแข็งตัวเป็นอนุภาคทรงกลมหลังจากการเย็นลงอย่างรวดเร็ว เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีเปลวไฟฟิวชั่น พลาสมาสฟีโรไนเซชันมีระยะเวลาที่สั้นมากในการสัมผัสกับอุณหภูมิสูง- ซึ่งหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงเฟสผลึกของซิลิกาได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ เนื่องจากระบบอัตโนมัติระดับสูงและความเสถียรที่ดี จึงรับประกันอัตราการสร้างสเฟียโรไนเซชันที่สูงขึ้น ความสม่ำเสมอของขนาดอนุภาคที่เหนือกว่า และปริมาณสิ่งเจือปนต่ำมาก
อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ยังคงเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในการนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรม- ประการแรก พลาสมาความร้อนได้รับความร้อนจากไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ และมีการสูญเสียอย่างมากระหว่างการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลาสมา ส่งผลให้มีการใช้พลังงานต่ำและส่งผลให้ต้นทุนการทำความร้อนสูง ประการที่สอง กำลังของเครื่องกำเนิดพลาสมาความร้อนแบบเหนี่ยวนำถูกจำกัดโดยอุปกรณ์จ่ายไฟ และอุปกรณ์จ่ายไฟสูง-นั้นมีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการลงทุนจำนวนมาก ซึ่งจำกัดการใช้งานทางอุตสาหกรรม นอกจากนี้ อุปกรณ์หลัก เช่น เตาพลาสมาสเฟียโรไนเซชัน ยังคงถูกผูกขาดโดยบริษัทญี่ปุ่นและเยอรมัน ต้นทุนการลงทุนเริ่มแรกที่สูงยังเป็นปัจจัยสำคัญในการจำกัดการใช้งานขนาดใหญ่-
04 การเผาไหม้โดยตรง/วิธี VMC
วิธีการเผาไหม้โดยตรง (หรือที่เรียกว่าวิธี VMC) ได้รับการพัฒนาโดย Admatechs ของญี่ปุ่น และถือเป็นกระบวนการวัดมาตรฐานแบบคลาสสิกในด้านบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ระดับไฮเอนด์-ระดับโลก วิธีนี้ใช้ผงซิลิกอนโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง-เป็นวัตถุดิบ ผงซิลิกอนเมทัลลิกที่ละเอียดเป็นพิเศษจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในกระแสออกซิเจนเพื่อรับปฏิกิริยาการลุกลามที่ควบคุมได้ ทำให้เกิดซิลิกา ในขณะเดียวกัน ความร้อนที่เกิดปฏิกิริยาสูงพิเศษ-ทันทีที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของซิลิคอนทำให้ซิลิกาที่สร้างขึ้นละลายและกลายเป็นไอทันที จากนั้น-จึงสร้างรูปร่างใหม่ภายใต้แรงตึงผิว และเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วและแข็งตัว ทำให้เกิดอนุภาคซิลิกาทรงกลมอสัณฐานในแหล่งกำเนิด ตลอดกระบวนการ การควบคุมความเข้มข้นของออกซิเจน อุณหภูมิ และความเร็วการไหลที่แม่นยำ ช่วยให้สามารถควบคุมขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาได้ดี
เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทางกายภาพอื่นๆ วิธี VMC มีชัยเหนือข้อจำกัดด้านสิ่งเจือปนของวัตถุดิบแร่ควอตซ์ธรรมชาติ ด้วยการสังเคราะห์จากซิลิคอนโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง- ผลิตภัณฑ์จึงมีปริมาณโลหะเจือปนต่ำมาก ไม่มีเฟสผลึกตกค้าง มีคุณสมบัติไดอิเล็กตริกที่ดีเยี่ยม การกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ การกระจายตัวของอนุภาคเดี่ยวที่โดดเด่น และความกลมของอนุภาคที่สูงมาก ความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์นั้นเหนือกว่าวิธีเปลวไฟแบบดั้งเดิมมาก ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในสถานการณ์ที่เพิ่มมูลค่า-มูลค่าเพิ่ม- เช่น บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ระดับไฮเอนด์- และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูง- อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาการลุกลามของผงโลหะซิลิกอนต้องการความแม่นยำของระบบการปิดผนึกและการควบคุมพารามิเตอร์ที่สูงมาก การลงทุนอุปกรณ์และค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาจึงมีจำนวนมาก การจัดการความปลอดภัยของกระบวนการจึงมีความท้าทายเป็นพิเศษ เกณฑ์การผลิตสูง และการผูกขาดทางเทคโนโลยีแข็งแกร่ง-ครอบงำระยะยาว-โดย Admatechs ของญี่ปุ่น
05 วิธีการสังเคราะห์ทางเคมี
วิธีการสังเคราะห์ทางเคมีส่วนใหญ่ประกอบด้วยโซล-เจล การสังเคราะห์เฟสของก๊าซ- ปฏิกิริยาไมโครอิมัลชัน การตกตะกอน/การเจริญเติบโตของเมล็ด และอื่นๆ กระบวนการนี้แตกต่างจากตรรกะการกำหนดรูปร่างหลังการรักษาของการดัดแปลงทางกายภาพ กระบวนการนี้ใช้สารตั้งต้นของไซเลน -ซิลิเกตที่มีความบริสุทธิ์สูง ฯลฯ เป็นวัตถุดิบ ด้วยการควบคุมกระบวนการไฮโดรไลซิส การควบแน่น นิวเคลียส และการเติบโตของอนุภาคจากแหล่งซิลิคอน อนุภาคซิลิกาทรงกลมจะถูกสังเคราะห์โดยตรงในแหล่งกำเนิดที่ระดับโมเลกุล โดยไม่ต้องอาศัยวัตถุดิบป้อนที่เป็นผงควอตซ์ที่ถูกบด ผลิตภัณฑ์มีความบริสุทธิ์สูงมากและมีศักยภาพมากขึ้นในแง่ของขนาดอนุภาคละเอียด การกระจายขนาดที่แคบ และความสามารถในการออกแบบโครงสร้าง
ยกตัวอย่างวิธีโซล-เจลแบบคลาสสิก โดยใช้ระบบ Stöber โดยใช้เตตระเอทิลออร์โธซิลิเกต (TEOS) เป็นแหล่งซิลิคอนในระบบตัวทำละลายผสมน้ำแบบเร่งปฏิกิริยาพื้นฐาน (เช่น แอมโมเนีย)- สำหรับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสและการควบแน่น TEOS ไฮโดรไลซ์ในขั้นแรกเพื่อสร้างโมโนเมอร์ไซลานอล ซึ่งผ่านการควบแน่นจากการขาดน้ำจนกลายเป็นโอลิโกเมอร์ของซิลิกา (SiO₂) และเติบโตบนนิวเคลียสในที่สุดเพื่อผลิตซิลิกาไมโครสเฟียร์แบบกระจายตัวเดี่ยว สำหรับการเตรียมอนุภาคทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น- สามารถใช้วิธีการเจริญเติบโตของเมล็ดและการตกตะกอนที่ยับยั้งการเกิดนิวเคลียสทุติยภูมิและส่งเสริมการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวของอนุภาคที่มีอยู่ได้