Keramika iz silicijevega nitrida (Si3N4) je nekovinski material, izdelan iz prahu silicijevega nitrida s postopki, kot sta oblikovanje in sintranje, in ima odlične celovite lastnosti. Keramični materiali iz silicijevega nitrida imajo izjemne fizikalne in kemijske lastnosti, ki jih splošni kovinski materiali in polimerni materiali težko primerjajo, vključno z odpornostjo proti obrabi, odpornostjo proti koroziji (odporen na vse kisline in baze, razen fluorovodikove kisline in koncentriranega NaOH), odpornostjo na visoke temperature (prenese visoke temperature nad 1800 stopinj, z najvišjo delovno temperaturo 1400 stopinj), visoko lomno žilavost (veliko višja od druge keramike). materiali) in visoko toplotno prevodnost. Prenesejo težka delovna okolja, ki jih kovinski ali polimerni materiali ne prenesejo, zato lahko keramični materiali iz silicijevega nitrida nadomestijo številne tradicionalne materiale in se pogosto uporabljajo na več industrijskih področjih. Visokokakovosten prah je osnova za pripravo visoko zmogljive keramike iz silicijevega nitrida, poceni tehnologija priprave prahu pa je ključ do široke uporabe keramike iz silicijevega nitrida. Glavne metode priprave silicijevega nitrida v prahu vključujejo direktno nitridacijo silicijevega prahu, samorazmnoževalno sintezo, karbotermalno redukcijo in termično razgradnjo.
Neposredno nitriranje silicijevega prahu. Silicijev prah neposredno reagira z dušikom, amoniakom ali drugimi atmosferami, ki vsebujejo dušik, da nastane prah silicijevega nitrida. Ta metoda ima razmeroma zrel postopek, lahko doseže obsežno proizvodnjo in ima relativno nizke proizvodne stroške ter jo sprejema večina domačih in mednarodnih podjetij.
Samorazširjujoča se visokotemperaturna sinteza (SHS). Načelo je, da po vžigu surovin reakcija difundira v nereagirano območje, dokler reakcija ni končana. Njegova značilnost je, da ne potrebuje zunanjega vira toplote, potrebno toploto pa zagotavlja z lastnim zgorevanjem. Ta metoda za pripravo prahu ima prednosti visoke učinkovitosti, varčevanja z energijo in varstva okolja, vendar je med pripravo prahu, ker je hitrost reakcije prehitra, reakcijski proces težko nadzorovati.
Metoda karbotermalne redukcije. Z uporabo SiO2 kot vira silicija in ogljika kot redukcijskega sredstva se silicijev nitrid sintetizira z redukcijo ogljika in reakcijo nitriranja nad 1400 stopinj v atmosferi N2. Surovine, uporabljene pri tej metodi, imajo nizke stroške, pripravljeni praškasti izdelek ima majhno velikost delcev, hitrost reakcije je hitra, vsebnost -Si3N4 je visoka in je primeren za obsežno proizvodnjo. Vendar pa pripravljen prah silicijevega nitrida pogosto vsebuje ostanek ogljika ali silicijevega karbida, zato čistost pripravljenega prahu ni visoka, kar vpliva na kakovost in uporabo izdelka.
Metoda pirolize silicijevega imida. Metoda za pripravo prahu Si3N4 z relativno visoko vsebnostjo -faze z medfazno reakcijo in termično razgradnjo. Ta metoda je težka za pripravo, ima visoke tehnične ovire in visoke zahteve glede čistosti surovin. Njegova težava je v tem, da ni lahko dobiti stabilnega trdnega silicijevega imida (Si(NH)2). S to metodo je mogoče proizvesti prah silicijevega nitrida visoke čistosti in visoke kakovosti.
Diagram poteka postopka metode pirolize silicijevega imida
02 Različne aplikacije: trije glavni izdelki zasedejo tir materialov višjega cenovnega razreda
Keramični izdelki iz silicijevega nitrida vključujejo predvsem tri glavne kategorije: keramične podlage, keramične kroglice in strukturne komponente. Trenutno na področju keramičnih substratov in visokokakovostnih keramičnih kroglic za vroče izostatično stiskanje (HIP) še vedno prevladujejo japonska in ameriška podjetja, kot so Kyocera, Toshiba Materials, Maruwa in CoorsTek, medtem ko domača podjetja vključujejo predvsem Sinoma Advanced Materials, Guoci Jinsheng, Hengyang Kaixin in druga.
Keramične podlage
Silicijev nitrid velja za material keramične podlage z najboljšo celovito zmogljivostjo, s toplotno prevodnostjo, ki dosega 90–120 W/(m·k), koeficientom toplotnega raztezanja 3,2 × 10-6/ stopinjo ter odlično mehansko trdnostjo, dobro kemično stabilnostjo in odpornostjo na toplotne udarce. S hitrim razvojem polprevodniških naprav tretje generacije in aplikacij z visoko gostoto moči tržno povpraševanje po visoko zmogljivih keramičnih substratih še naprej narašča, substrati iz silicijevega nitrida pa postopoma postajajo ena od pomembnih tehničnih poti za visoko zmogljive napajalne module.
Keramična plošča iz silicijevega nitrida, vir slike: Ferrotec
Trenutno je metoda, ki se običajno uporablja v industriji za pripravo keramičnih substratov iz silicijevega nitrida, ulivanje organskega traku. Najprej se prah silicijevega nitrida, dispergator, pomoč pri sintranju in organsko topilo zmešajo s primarnim krogličnim mletjem, hkrati pa se prašek kroglično zmelje do zahtevane velikosti delcev; nato se v kroglično mleto brozgo za sekundarno kroglično mletje doda vezivo in mehčalo, da se enotno zmeša; po odstranjevanju pene dobimo zahtevano brozgo. Goščo dodamo v stroj za ulivanje traku za ulivanje traku, da dobimo zeleno telo, nato pa zeleno telo razrežemo na zahtevano velikost, izpostavimo odstranitvi veziva in sintranju, na koncu pa dobimo keramični substrat iz sintranega silicijevega nitrida. Metode sintranja vključujejo predvsem reakcijsko sintranje (RS), vroče stiskanje (HPS), breztlačno sintranje (PLS) in plinsko sintranje (GPS).
Pred uporabo v embalaži je treba keramične podlage metalizirati, to pomeni, da se na keramični površini z bakrenjem ali bakrenjem oblikuje prevodna plast, da se povežejo elektronske komponente in uresniči prevodna funkcija vezja. Pogosti postopki metalizacije keramike vključujejo DPC, DBC in AMB.
Kitajska industrija keramike iz silicijevega nitrida se je začela relativno pozno. Vrhunski keramični izdelki iz silicijevega nitrida imajo še vedno vrzeli v primerjavi s tujino pri nekaterih ključnih kazalnikih uspešnosti, nekateri pa so odvisni od uvoza, vendar so izdelki nižjega in srednjega cenovnega razreda v bistvu dosegli domačo proizvodnjo. Vrzeli se odražajo predvsem v tehnološki izboljšavi, odvisnosti od uvožene opreme, nestabilni kakovosti izdelkov, neracionalni strukturi industrije in nezadostni razvitosti trga.
Keramične kroglice
V primerjavi z jeklenimi kroglicami imajo keramične kroglice iz silicijevega nitrida prednosti visoke mejne hitrosti, močne nosilnosti, odpornosti na visoke temperature ter odpornosti proti kislinski in alkalijski koroziji ter imajo tudi določene samomazalne lastnosti. Z absolutnimi prednostmi kot kotalni elementi se pogosto uporabljajo v ležajih za visoke hitrosti in so postali ključni sestavni deli visoko natančnih ležajev za visoke hitrosti.
Postopek priprave keramičnih kroglic iz silicijevega nitrida je najprej pridobiti gosto, visoko trdno sintrano ohišje iz keramične krogle, nato pa se surovec natančno strojno obdela, da se doseže zahtevana velikost, okroglost in hrapavost. Postopek priprave na splošno vključuje štiri stopnje: pripravo surovine, oblikovanje zelenega telesa, visokotemperaturno sintranje in mletje. Suho oblikovanje ima prednosti visoke učinkovitosti oblikovanja, kratkega cikla oblikovanja in nizke vsebnosti veziva ter je prednostna metoda oblikovanja za industrializacijo keramičnih kroglic Si3N4. Suho oblikovanje vključuje suho stiskanje in izostatično stiskanje, ki se običajno uporabljata pri oblikovanju zelenega telesa keramičnih kroglic Si3N4.
Metodi sintranja, primerni za masovno proizvodnjo keramičnih kroglic iz silicijevega nitrida, sta sintranje pod pritiskom plina (GPS) in sintranje z vročim izostatičnim stiskanjem (HIP). Med njimi tehnologija vročega izostatičnega stiskanja uporablja plin kot tlačni medij in izvaja enak pritisk v vseh smereh telesa med sintranjem, s čimer doseže zgoščevanje keramike pri visoki temperaturi in visokem tlaku. To je najboljši postopek za izdelavo visoko zmogljivih keramičnih kroglic iz silicijevega nitrida.
Primerjalna tabela lastnosti silicijevega nitrida GPS in silicijevega nitrida HIP
Keramične kroglice iz silicijevega nitrida po sintranju potrebujejo tudi površinsko obdelavo, da izpolnijo zahteve visoke natančnosti in nizke hrapavosti, vključno s postopki brušenja, poliranja in superfiniširanja.
Keramične strukturne komponente
Precizne keramične strukturne komponente so ključne komponente polprevodniške opreme, njihove raziskave, razvoj in proizvodnja pa neposredno vplivajo na razvoj polprevodniške industrije. Silicijev nitrid ima nizek koeficient toplotnega raztezanja, visoko toplotno prevodnost, odpornost proti kemični koroziji in odlično odpornost na toplotni udar. Vroče stiskan sintran Si3N4 ima izjemno visoko trdoto in je izjemno odporen na visoke temperature. Njegova moč ostane pri 1200 stopinjah, ne da bi se zmanjšala, in se po segrevanju ne stopi v tekočino. Imenuje se keramični material z najboljšo celovito zmogljivostjo in se uporablja v polprevodniški opremi za izdelavo nosilcev rezin, grelnikov, komponent strojev za jedkanje in drugih.
Keramične strukturne komponente iz silicijevega nitrida, vir slike: CeramTec
03 Povzetek
Prihodnji inkrementalni trg za silicijev nitrid se širi s tradicionalne strukturne keramike na aplikacije z večjo vrednostjo. Močnostni polprevodniki potrebujejo keramične podlage z visoko toplotno prevodnostjo in visoko zanesljivostjo; nova energetska vozila potrebujejo keramične kroglice z visoko odpornostjo proti obrabi in z njimi povezane komponente; polprevodniška oprema potrebuje precizne keramične strukturne komponente visoke čistosti, nizke kontaminacije, odporne proti koroziji. Z nenehnimi tehnološkimi preboji obstaja širok prostor za visokokakovostno industrializacijo in domačo zamenjavo keramike iz silicijevega nitrida ter ogromen prihodnji razvojni potencial.