Keramika z nitridu kremíka (Si3N4) ako pokročilá konštrukčná keramika má vynikajúce vlastnosti, ako je odolnosť voči vysokej teplote, vysoká pevnosť, vysoká húževnatosť, vysoká tvrdosť, odolnosť proti tečeniu, odolnosť proti oxidácii a odolnosť proti opotrebovaniu. Okrem toho ponúkajú dobrú odolnosť proti tepelným šokom, dielektrické vlastnosti, vysokú tepelnú vodivosť a vynikajúci výkon pri prenose vysokofrekvenčných elektromagnetických vĺn. Vďaka týmto vynikajúcim komplexným vlastnostiam sa široko používajú v zložitých konštrukčných komponentoch, najmä v leteckom a kozmickom priemysle a v iných oblastiach špičkových technológií.
Avšak Si3N4, čo je zlúčenina so silnými kovalentnými väzbami, má stabilnú štruktúru, ktorá sťažuje spekanie na vysokú hustotu len prostredníctvom difúzie v tuhom stave. Na podporu spekania sa pridávajú pomocné spekacie prostriedky, ako sú oxidy kovov (MgO, CaO, Al2O3) a oxidy vzácnych zemín (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), aby sa uľahčilo zahusťovanie pomocou mechanizmu spekania v kvapalnej fáze.
V súčasnosti celosvetová technológia polovodičových zariadení napreduje smerom k vyšším napätiam, väčším prúdom a väčším hustotám výkonu. Výskum metód výroby Si₃N₄ keramiky je rozsiahly. Tento článok predstavuje procesy spekania, ktoré efektívne zlepšujú hustotu a komplexné mechanické vlastnosti keramiky z nitridu kremíka.
Bežné metódy spekania Si₃N4 keramiky
Porovnanie výkonu Si3N4 keramiky pripravenej rôznymi metódami spekania
1. Reaktívne spekanie (RS):Reaktívne spekanie bolo prvou metódou použitou na priemyselnú prípravu Si3N4 keramiky. Je jednoduchý, cenovo výhodný a dokáže vytvárať zložité tvary. Má však dlhý výrobný cyklus, ktorý nie je vhodný pre priemyselnú výrobu.
2. Beztlakové spekanie (PLS):Toto je najzákladnejší a najjednoduchší proces spekania. Vyžaduje si to však vysokokvalitné suroviny Si3N4 a výsledkom je často keramika s nižšou hustotou, výrazným zmršťovaním a sklonom k praskaniu alebo deformácii.
3. Spekanie lisovaním za tepla (HP):Použitie jednoosového mechanického tlaku zvyšuje hnaciu silu pre spekanie, čo umožňuje výrobu hutnej keramiky pri teplotách o 100-200 °C nižších ako pri beztlakovom spekaní. Táto metóda sa zvyčajne používa na výrobu relatívne jednoduchej keramiky v tvare bloku, ale je ťažké splniť požiadavky na hrúbku a tvar substrátových materiálov.
4. Spark Plazma Sintering (SPS):SPS sa vyznačuje rýchlym spekaním, zjemňovaním zrna a zníženými teplotami spekania. SPS si však vyžaduje značné investície do zariadení a príprava Si3N4 keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou prostredníctvom SPS je stále v experimentálnom štádiu a ešte nebola industrializovaná.
5. Plynovo-tlakové spekanie (GPS):Pôsobením tlaku plynu táto metóda inhibuje rozklad keramiky a stratu hmotnosti pri vysokých teplotách. Je jednoduchšie vyrábať keramiku s vysokou hustotou a umožňuje sériovú výrobu. Jednostupňový proces tlakového spekania v plyne má však problémy s výrobou štrukturálnych komponentov s jednotnou vnútornou a vonkajšou farbou a štruktúrou. Použitie dvojstupňového alebo viacstupňového procesu spekania môže výrazne znížiť obsah intergranulárneho kyslíka, zlepšiť tepelnú vodivosť a zlepšiť celkové vlastnosti.
Vysoká teplota spekania dvojstupňového tlakového spekania však viedla predchádzajúci výskum k tomu, aby sa zameral hlavne na prípravu Si3N4 keramických substrátov s vysokou tepelnou vodivosťou a pevnosťou v ohybe pri izbovej teplote. Výskum Si₃N₄ keramiky s komplexnými mechanickými vlastnosťami a vysokoteplotnými mechanickými vlastnosťami je pomerne obmedzený.
Dvojstupňová metóda sintrovania s tlakom plynu pre Si3N4
Yang Zhou a kolegovia z Chongqing University of Technology použili pomocný spekací systém 5 % hmotn. Yb203 + 5 % hmotn. Al203 na prípravu Si3N4 keramiky s použitím jednostupňového aj dvojstupňového procesu spekania za tlaku plynu pri 1800 °C. Keramika Si3N4 vyrobená dvojstupňovým procesom spekania mala vyššiu hustotu a lepšie komplexné mechanické vlastnosti. V nasledujúcom texte sú zhrnuté účinky jednostupňových a dvojstupňových procesov tlakového spekania v plyne na mikroštruktúru a mechanické vlastnosti keramických komponentov Si3N4.
Hustota Proces zahusťovania Si3N4 typicky zahŕňa tri stupne, pričom sa stupne prekrývajú. Prvý stupeň, preskupenie častíc, a druhý stupeň, rozpúšťanie-zrážanie, sú najkritickejšie stupne pre zahusťovanie. Dostatočný reakčný čas v týchto fázach výrazne zlepšuje hustotu vzorky. Keď je teplota predspekania pre dvojkrokový proces spekania nastavená na 1600 °C, zrná β-Si₃N4 vytvoria kostru a vytvoria uzavreté póry. Po predbežnom spekaní ďalšie zahrievanie pri vysokej teplote a tlaku dusíka podporuje tok a plnenie v kvapalnej fáze, čo pomáha eliminovať uzavreté póry, čím sa ďalej zlepšuje hustota keramiky Si3N4. Preto vzorky vyrobené dvojkrokovým procesom spekania vykazujú vyššiu hustotu a relatívnu hustotu ako vzorky vyrobené jednostupňovým spekaním.
Fáza a mikroštruktúra Počas jednokrokového spekania je čas dostupný na preskupenie častíc a difúziu po hraniciach zŕn obmedzený. V dvojkrokovom procese spekania sa prvý krok uskutočňuje pri nízkej teplote a nízkom tlaku plynu, čo predlžuje čas preskupenia častíc a vedie k väčším zrnám. Teplota sa potom zvýši na vysokoteplotnú fázu, kde zrná pokračujú v raste cez Ostwaldov proces zrenia, čím sa získa keramika Si3N4 s vysokou hustotou.
Mechanické vlastnosti Zmäknutie medzikryštalickej fázy pri vysokých teplotách je hlavným dôvodom zníženej pevnosti. Pri jednokrokovom spekaní abnormálny rast zŕn vytvára malé póry medzi zrnami, čo bráni výraznému zlepšeniu pevnosti pri vysokej teplote. V dvojkrokovom procese spekania však sklenená fáza, rovnomerne rozložená na hraniciach zŕn, a zrná s rovnakou veľkosťou zvyšujú medzikryštalickú pevnosť, čo vedie k vyššej pevnosti v ohybe pri vysokej teplote.
Záverom možno povedať, že predĺžené držanie počas jednokrokového spekania môže účinne znížiť vnútornú pórovitosť a dosiahnuť jednotnú vnútornú farbu a štruktúru, ale môže viesť k abnormálnemu rastu zŕn, ktorý zhoršuje určité mechanické vlastnosti. Použitím dvojstupňového procesu spekania – použitím nízkoteplotného predbežného spekania na predĺženie času preskupenia častíc a udržiavania pri vysokej teplote na podporu rovnomerného rastu zŕn – keramika Si3N4 s relatívnou hustotou 98,25 %, rovnomernou mikroštruktúrou a vynikajúcimi komplexnými mechanickými vlastnosťami možno úspešne pripraviť.
| Meno | Substrát | Zloženie epitaxnej vrstvy | Epitaxný proces | Epitaxné médium |
| Kremíkový homoepitaxný | Si | Si | Epitaxia v parnej fáze (VPE) | SiCl4+H2 |
| Heteroepitaxný kremík | Zafír alebo spinel | Si | Epitaxia v parnej fáze (VPE) | SiH4 + H2 |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia v parnej fáze (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia molekulárneho lúča (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaxia v kvapalnej fáze (LPE) Výparná fáza (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+Popol3+ PH3+CH1+H2 |
| GaP homoepitaxial | GaP | GaP(GaP;N) | Epitaxia v kvapalnej fáze (LPE) Epitaxia v kvapalnej fáze (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supermriežka | GaAs | GaAlAs/GaAs (cyklus) | Epitaxia molekulárneho lúča (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | Epitaxia v parnej fáze (VPE) Epitaxia v kvapalnej fáze (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaxia | Si | GaAs | Epitaxia molekulárneho lúča (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3 + AsH3 + H2 |
Čas odoslania: 24. decembra 2024