Keramika z nitridu křemíku (Si3N4) je nekovový materiál vyrobený z prášku nitridu křemíku procesy, jako je tváření a slinování, a má vynikající komplexní vlastnosti. Keramické materiály na bázi nitridu křemíku mají vynikající fyzikální a chemické vlastnosti, které je pro obecné kovové materiály a polymerní materiály obtížné vyrovnat, včetně odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi (odolné vůči všem kyselinám a zásadám kromě kyseliny fluorovodíkové a koncentrovaného NaOH), odolnosti vůči vysokým teplotám (odolává vysokým teplotám přes 1800 stupňů, s maximální provozní teplotou 1400 stupňů), vysoké lomové houževnatosti (mnohem vyšší než jiné keramické materiály. Dokážou odolat drsnému pracovnímu prostředí, které kovové nebo polymerní materiály nezvládnou, takže keramické materiály z nitridu křemíku mohou nahradit mnoho tradičních materiálů a jsou široce používány v mnoha průmyslových oblastech. Vysoce kvalitní prášek je základem pro přípravu vysoce výkonné keramiky z nitridu křemíku a nízkonákladová technologie přípravy prášku je klíčem k široké aplikaci keramiky z nitridu křemíku. Hlavní způsoby přípravy prášku nitridu křemíku zahrnují přímou nitridaci křemíkového prášku, samo se množící syntézu, karbotermální redukci a tepelný rozklad.
Přímá nitridace silikonového prášku. Křemíkový prášek přímo reaguje s dusíkem, čpavkem nebo jinou atmosférou obsahující dusík za vzniku prášku nitridu křemíku. Tato metoda má relativně vyzrálý proces, může dosáhnout výroby ve velkém měřítku a má relativně nízké výrobní náklady a je přijata většinou domácích a mezinárodních podniků.
Samo se šířící vysokoteplotní syntéza (SHS). Princip spočívá v tom, že po zapálení surovin reakce difunduje do nezreagované oblasti, dokud není reakce dokončena. Jeho charakteristikou je, že není potřeba žádný externí zdroj tepla a potřebné teplo je zajištěno vlastním spalováním. Tento způsob přípravy prášku má výhody vysoké účinnosti, úspory energie a ochrany životního prostředí, ale během přípravy prášku, protože reakční rychlost je příliš vysoká, je obtížné řídit reakční proces.
Karbotermální redukční metoda. S použitím Si02 jako zdroje křemíku a uhlíku jako redukčního činidla se nitrid křemíku syntetizuje redukcí uhlíku a nitridační reakcí nad 1400 stupni pod atmosférou N2. Suroviny použité v této metodě mají nízké náklady, připravený práškový produkt má malou velikost částic, rychlost reakce je rychlá, obsah -Si3N4 je vysoký a je vhodný pro výrobu ve velkém měřítku. Připravený prášek nitridu křemíku však často obsahuje zbytkový uhlík nebo karbid křemíku, takže čistota připraveného prášku není vysoká, což ovlivňuje kvalitu a aplikaci produktu.
Metoda pyrolýzy imidu křemíku. Způsob přípravy prášku Si3N4 s relativně vysokým obsahem fáze prostřednictvím mezifázové reakce a tepelného rozkladu. Tato metoda je náročná na přípravu, má vysoké technické bariéry a vysoké požadavky na čistotu suroviny. Jeho obtíž spočívá ve skutečnosti, že není snadné získat stabilní pevný imid křemíku (Si(NH)2). Tato metoda může produkovat vysoce čistý, vysoce kvalitní prášek nitridu křemíku.
Vývojový diagram procesu pyrolýzy imidu křemíku
02 Různorodé aplikace: Tři hlavní produkty zaujaly cestu špičkových materiálů
Keramické výrobky z nitridu křemíku zahrnují především tři hlavní kategorie: keramické substráty, keramické kuličky a konstrukční součásti. V současné době v oblasti keramických substrátů a špičkových keramických koulí s izostatickým lisováním za tepla (HIP) stále dominují japonské a americké podniky jako Kyocera, Toshiba Materials, Maruwa a CoorsTek, mezi tuzemské podniky patří především Sinoma Advanced Materials, Guoci Jinsheng, Hengyang Kaixin a další.
Keramické podklady
Nitrid křemíku je považován za keramický substrátový materiál s nejlepšími komplexními vlastnostmi, s tepelnou vodivostí dosahující 90–120 W/(m·k), koeficientem tepelné roztažnosti 3,2×10-6/ stupně a vynikající mechanickou pevností, dobrou chemickou stabilitou a odolností proti tepelným šokům. S rychlým rozvojem polovodičových součástek třetí generace a aplikací s vysokou hustotou výkonu stále roste poptávka na trhu po vysoce výkonných keramických substrátech a substráty z nitridu křemíku se postupně stávají jednou z důležitých technických cest pro výkonové moduly nejvyšší třídy.
Keramická deska z nitridu křemíku, zdroj obrázku: Ferrotec
V současnosti je v průmyslu běžně používanou metodou pro přípravu keramických substrátů z nitridu křemíku odlévání organických pásek. Nejprve se primárním kulovým mletím smísí prášek nitridu křemíku, dispergační činidlo, slinovací pomocná látka a organické rozpouštědlo a současně se prášek v kulovém mlýnu mele na požadovanou velikost částic; potom se k suspenzi mleté v kulovém mlýnu přidají pojivo a změkčovadlo pro sekundární mletí v kulovém mlýnu, aby se dosáhlo rovnoměrného promísení; po odpěnění se získá požadovaná kaše. Kaše se přidá do páskového licího stroje pro odlévání pásky, aby se získalo surové těleso, a poté se surové těleso nařeže na požadovanou velikost, podrobí se odstranění pojiva a slinování a nakonec se získá slinutý keramický substrát z nitridu křemíku. Metody slinování zahrnují především reakční slinování (RS), slinování lisováním za tepla (HPS), beztlaké slinování (PLS) a plynové tlakové slinování (GPS).
Před použitím v balení je třeba keramické substráty pokovit, to znamená, že se na keramickém povrchu vytvoří vodivá vrstva poměděním nebo měděným povlakem, aby bylo možné připojit elektronické součástky a realizovat vodivou funkci obvodu. Běžné procesy pokovování keramiky zahrnují DPC, DBC a AMB.
Čínský keramický průmysl z nitridu křemíku začal relativně pozdě. Špičkové keramické výrobky z nitridu křemíku mají ve srovnání se zahraničím stále mezery v některých klíčových výkonnostních ukazatelích a některé se spoléhají na dovoz, ale výrobky nižší a střední třídy dosáhly v zásadě domácí výroby. Mezery se projevují především v technologickém zlepšení, závislosti na dováženém zařízení, nestabilní kvalitě výrobků, iracionální průmyslové struktuře a nedostatečném rozvoji trhu.
Keramické kuličky
Ve srovnání s ocelovými kuličkami mají keramické kuličky z nitridu křemíku výhody vysoké mezní rychlosti, silné nosnosti, odolnosti vůči vysokým teplotám a odolnosti vůči kyselinám a zásadám a také vykazují určité samomazné vlastnosti. S absolutními výhodami jako valivá tělesa jsou široce používány ve vysokorychlostních ložiscích a staly se klíčovými součástmi vysokorychlostních a vysoce přesných ložisek.
Proces přípravy keramických kuliček z nitridu křemíku spočívá v tom, že se nejprve získá hustý, vysoce pevný polotovar ze slinutého těla keramických kuliček a poté se polotovar přesně opracuje, aby se dosáhlo požadované velikosti, kulatosti a drsnosti. Proces přípravy obecně zahrnuje čtyři fáze: příprava suroviny, formování surového tělesa, vysokoteplotní slinování a mletí. Suché tvarování má výhody vysoké účinnosti tvarování, krátkého tvarovacího cyklu a nízkého obsahu pojiva a je preferovanou tvarovací metodou pro industrializaci keramických kuliček Si3N4. Suché tvarování zahrnuje suché lisování a izostatické lisování, které se běžně používají při tvarování syrových těles keramických kuliček Si3N4.
Metody slinování vhodné pro hromadnou výrobu keramických kuliček z nitridu křemíku jsou plynové tlakové slinování (GPS) a horké izostatické slinování (HIP). Mezi nimi technologie izostatického lisování za tepla využívá jako tlakové médium plyn a během slinování vyvíjí stejný tlak ve všech směrech těla, čímž se dosahuje zhuštění keramiky za vysoké teploty a vysokého tlaku. Je to nejlepší proces pro výrobu vysoce výkonných keramických kuliček z nitridu křemíku.
Srovnávací tabulka vlastností GPS nitridu křemíku a HIP nitridu křemíku
Po slinování potřebují keramické kuličky z nitridu křemíku také povrchovou úpravu, aby byly splněny požadavky na vysokou přesnost a nízkou drsnost, včetně procesů broušení, leštění a superfinišování.
Keramické konstrukční prvky
Přesné keramické konstrukční prvky jsou klíčovými součástmi polovodičových zařízení a jejich výzkum, vývoj a výroba přímo ovlivňují rozvoj polovodičového průmyslu. Nitrid křemíku má nízký koeficient tepelné roztažnosti, vysokou tepelnou vodivost, odolnost proti chemické korozi a vynikající odolnost proti tepelným šokům. Za tepla lisovaný slinutý Si3N4 má extrémně vysokou tvrdost a je extrémně odolný vůči vysokým teplotám. Jeho pevnost zůstává na 1200 stupních bez snížení a po zahřátí se nerozpustí do kapaliny. Nazývá se keramický materiál s nejlepším komplexním výkonem a používá se v polovodičových zařízeních k výrobě nosičů destiček, ohřívačů, součástí leptacích strojů a dalších.
Keramické konstrukční součásti z nitridu křemíku, zdroj obrázku: CeramTec
03 Shrnutí
Budoucí přírůstkový trh pro nitrid křemíku se rozšiřuje z tradiční strukturální keramiky na aplikace s vysokou hodnotou. Výkonové polovodiče potřebují keramické substráty s vysokou tepelnou vodivostí a vysokou spolehlivostí; nová energetická vozidla potřebují vysoce odolné, vysoce spolehlivé keramické kuličky a související součásti; Polovodičová zařízení potřebují vysoce čisté přesné keramické konstrukční součásti s nízkou kontaminací a odolností proti korozi. Díky neustálým technologickým objevům existuje široký prostor pro špičkovou industrializaci a domácí náhradu keramiky z nitridu křemíku a obrovský potenciál budoucího rozvoje.