Керамика из нитрида кремния (Si3N4) представляет собой неметаллический материал, изготовленный из порошка нитрида кремния с помощью таких процессов, как формование и спекание, и обладает превосходными комплексными свойствами. Керамические материалы из нитрида кремния обладают выдающимися физическими и химическими свойствами, которые трудно сравнить с обычными металлическими материалами и полимерными материалами, включая износостойкость, коррозионную стойкость (устойчив ко всем кислотам и основаниям, кроме плавиковой кислоты и концентрированного NaOH), устойчивость к высоким температурам (выдерживает высокие температуры более 1800 градусов с максимальной рабочей температурой 1400 градусов), высокую вязкость разрушения (намного выше, чем у других керамических материалов) и высокую теплопроводность. Они могут выдерживать суровые рабочие условия, с которыми не могут справиться металлические или полимерные материалы, поэтому керамические материалы из нитрида кремния могут заменить многие традиционные материалы и широко используются во многих областях промышленности. Качественный порошок является основой для получения высокоэффективной нитридкремниевой керамики, а недорогая технология приготовления порошка является залогом широкого применения нитридкремниевой керамики. Основные методы получения порошка нитрида кремния включают прямое нитридирование порошка кремния, самораспространяющийся синтез, карботермическое восстановление и термическое разложение.
Прямое нитридирование порошка кремния. Порошок кремния напрямую реагирует с азотом, аммиаком или другой азотсодержащей атмосферой с образованием порошка нитрида кремния. Этот метод имеет относительно зрелый процесс, позволяет обеспечить крупномасштабное производство, имеет относительно низкие производственные затраты и применяется большинством отечественных и международных предприятий.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Принцип заключается в том, что после воспламенения сырья реакция распространяется в непрореагировавшую область до тех пор, пока реакция не завершится. Его особенностью является то, что не требуется внешний источник тепла, а необходимое тепло обеспечивается за счет собственного сгорания. Этот метод приготовления порошка имеет преимущества высокой эффективности, энергосбережения и защиты окружающей среды, но во время приготовления порошка из-за слишком высокой скорости реакции процесс реакции трудно контролировать.
Карботермический метод восстановления. Используя SiO2 в качестве источника кремния и углерод в качестве восстановителя, нитрид кремния синтезируется посредством реакции восстановления углерода и азотирования при температуре выше 1400 градусов в атмосфере N2. Сырье, используемое в этом методе, имеет низкую стоимость, полученный порошкообразный продукт имеет небольшой размер частиц, скорость реакции высокая, содержание -Si3N4 высокое, и оно подходит для крупномасштабного производства. Однако приготовленный порошок нитрида кремния часто содержит остаточный углерод или карбид кремния, поэтому чистота приготовленного порошка невысока, что влияет на качество и применение продукта.
Метод пиролиза имида кремния. Способ получения порошка Si3N4 с относительно высоким содержанием -фазы путем межфазной реакции и термического разложения. Этот метод сложен в приготовлении, имеет высокие технические барьеры и предъявляет высокие требования к чистоте сырья. Его сложность заключается в том, что получить стабильный твердый имид кремния (Si(NH)2) непросто. Этот метод позволяет производить порошок нитрида кремния высокой чистоты и качества.
Технологическая схема метода пиролиза имида кремния
02 Разнообразие применений: три основных продукта выходят на рынок высококачественных материалов
Керамические изделия из нитрида кремния в основном включают три основные категории: керамические подложки, керамические шарики и структурные компоненты. В настоящее время в области производства керамических подложек и высококачественных керамических шариков горячего изостатического прессования (HIP) по-прежнему доминируют японские и американские предприятия, такие как Kyocera, Toshiba Materials, Maruwa и CoorsTek, в то время как отечественные предприятия в основном включают Sinoma Advanced Materials, Guoci Jinsheng, Hengyang Kaixin и другие.
Керамические подложки
Нитрид кремния считается керамическим материалом подложки с наилучшими комплексными характеристиками: теплопроводность достигает 90–120 Вт/(м·К), коэффициент теплового расширения 3,2×10-6/градус, а также превосходная механическая прочность, хорошая химическая стабильность и термостойкость. В связи с быстрым развитием полупроводниковых приборов третьего поколения и приложений с высокой плотностью мощности рыночный спрос на высокопроизводительные керамические подложки продолжает расти, и подложки из нитрида кремния постепенно становятся одним из важных технических направлений для высокопроизводительных силовых модулей.
Керамический лист из нитрида кремния, источник изображения: Ferrotec
В настоящее время широко используемым в промышленности методом изготовления керамических подложек из нитрида кремния является литье на органическую ленту. Сначала порошок нитрида кремния, диспергатор, спекающая добавка и органический растворитель смешиваются посредством первичной шаровой мельницы, и в то же время порошок измельчается в шаровой мельнице до необходимого размера частиц; затем к суспензии, размолотой в шаровой мельнице, для вторичного измельчения в шаровой мельнице добавляют связующее и пластификатор, чтобы обеспечить ее однородное перемешивание; после пенообразования получается необходимая суспензия. Шлам добавляют в ленточную машину для литья ленты для получения неспеченного тела, а затем необработанное тело разрезают до необходимого размера, подвергают удалению связующего и спеканию и, наконец, получают спеченную керамическую подложку из нитрида кремния. Методы спекания в основном включают реакционное спекание (RS), спекание горячим прессованием (HPS), спекание без давления (PLS) и спекание под давлением газа (GPS).
Перед использованием в упаковке керамические подложки необходимо металлизировать, то есть на керамической поверхности формируют проводящий слой путем меднения или медного покрытия, чтобы соединить электронные компоненты и реализовать проводящую функцию схемы. Обычные процессы металлизации керамики включают DPC, DBC и AMB.
Производство керамики из нитрида кремния в Китае началось относительно поздно. Высококачественные керамические изделия из нитрида кремния по-прежнему отстают от зарубежных стран по некоторым ключевым показателям производительности, а некоторые зависят от импорта, но продукция низкого и среднего класса в основном производится внутри страны. Разрывы в основном отражаются в технологическом совершенствовании, зависимости от импортного оборудования, нестабильном качестве продукции, нерациональной структуре промышленности и недостаточном развитии рынка.
Керамические шарики
По сравнению со стальными шариками керамические шарики из нитрида кремния обладают такими преимуществами, как высокая предельная скорость, высокая несущая способность, устойчивость к высоким температурам, устойчивость к кислотной и щелочной коррозии, а также обладают определенными самосмазывающимися свойствами. Обладая абсолютными преимуществами в качестве тел качения, они широко используются в высокоскоростных подшипниках и стали ключевыми компонентами высокоскоростных и прецизионных подшипников.
Процесс подготовки керамических шариков из нитрида кремния заключается в том, чтобы сначала получить плотную, высокопрочную заготовку спеченного корпуса керамического шарика, а затем точную механическую обработку заготовки для достижения необходимого размера, округлости и шероховатости. Процесс подготовки обычно включает четыре этапа: подготовка сырья, формование сырца, высокотемпературное спекание и шлифование. Сухая формовка имеет преимущества высокой эффективности формования, короткого цикла формования и низкого содержания связующего вещества и является предпочтительным методом формования для промышленного производства керамических шариков Si3N4. Сухая формовка включает в себя сухое прессование и изостатическое прессование, оба из которых обычно используются при формовании сырых тел керамических шариков Si3N4.
Методами спекания, подходящими для массового производства керамических шариков из нитрида кремния, являются спекание под давлением газа (GPS) и спекание горячим изостатическим прессованием (HIP). Среди них технология горячего изостатического прессования использует газ в качестве среды давления и применяет одинаковое давление во всех направлениях тела во время спекания, достигая уплотнения керамики при высокой температуре и высоком давлении. Это лучший процесс для производства высокопроизводительных керамических шариков из нитрида кремния.
Сравнительная таблица свойств нитрида кремния ГПС и нитрида кремния ГИП
После спекания керамические шарики из нитрида кремния также требуют обработки поверхности, чтобы соответствовать требованиям высокой точности и низкой шероховатости, включая процессы шлифования, полировки и суперфинишной обработки.
Керамические структурные компоненты
Прецизионные керамические конструкционные компоненты являются ключевыми компонентами полупроводникового оборудования, и их исследования, разработки и производство напрямую влияют на развитие полупроводниковой промышленности. Нитрид кремния имеет низкий коэффициент теплового расширения, высокую теплопроводность, стойкость к химической коррозии и отличную стойкость к термическому удару. Горячепрессованный спеченный Si3N4 имеет чрезвычайно высокую твердость и чрезвычайно устойчив к высоким температурам. Его прочность остается на уровне 1200 градусов, не уменьшаясь, и после нагревания он не превращается в жидкость. Его называют керамическим материалом с лучшими комплексными характеристиками и используют в полупроводниковом оборудовании для изготовления подложек пластин, нагревателей, компонентов травильных машин и т. д.
Конструктивные элементы из нитрид-кремниевой керамики, источник изображения: CeramTec
03 Резюме
Будущий растущий рынок нитрида кремния расширяется от традиционной конструкционной керамики к более дорогостоящим применениям. Силовые полупроводники нуждаются в керамических подложках с высокой теплопроводностью и высокой надежностью; транспортным средствам на новой энергии необходимы керамические шарики с высокой износостойкостью и надежностью и соответствующие компоненты; Полупроводниковое оборудование нуждается в прецизионных керамических конструкционных компонентах высокой чистоты, с низким уровнем загрязнения, устойчивых к коррозии. Благодаря постоянным технологическим прорывам существует широкое пространство для высокотехнологичной индустриализации и внутреннего замещения керамики из нитрида кремния, а также огромный потенциал будущего развития.