Piinitridi (Si3N4) keramiikalla, kehittyneenä rakennekeramiikkana, on erinomaisia ominaisuuksia, kuten korkean lämpötilan kestävyys, korkea lujuus, korkea sitkeys, korkea kovuus, virumisenkestävyys, hapettumisenkestävyys ja kulutuskestävyys. Lisäksi ne tarjoavat hyvän lämpöiskun kestävyyden, dielektriset ominaisuudet, korkean lämmönjohtavuuden ja erinomaisen korkeataajuisen sähkömagneettisen aallon lähetyskyvyn. Nämä erinomaiset kattavat ominaisuudet tekevät niistä laajan käytön monimutkaisissa rakennekomponenteissa, erityisesti ilmailu- ja muilla korkean teknologian aloilla.
Kuitenkin Si3N4:llä, joka on yhdiste, jossa on vahvoja kovalenttisia sidoksia, on stabiili rakenne, joka tekee sintraamisen suureen tiheyteen vaikeaksi pelkän kiinteän olomuodon diffuusion kautta. Sintraamisen edistämiseksi lisätään sintrausapuaineita, kuten metallioksideja (MgO, CaO, Al2O3) ja harvinaisten maametallien oksideja (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2), mikä helpottaa tiivistämistä nestefaasisintrausmekanismin avulla.
Tällä hetkellä globaali puolijohdetekniikka etenee kohti korkeampia jännitteitä, suurempia virtoja ja suurempia tehotiheyksiä. Si3N4-keramiikan valmistusmenetelmien tutkimus on laajaa. Tässä artikkelissa esitellään sintrausprosesseja, jotka parantavat tehokkaasti piinitridikeramiikan tiheyttä ja kattavia mekaanisia ominaisuuksia.
Yleiset sintrausmenetelmät Si3N4-keramiikkaille
Eri sintrausmenetelmillä valmistettujen Si3N4-keramiikan suorituskyvyn vertailu
1. Reaktiivinen sintraus (RS):Reaktiivinen sintraus oli ensimmäinen menetelmä, jota käytettiin Si3N4-keramiikan teolliseen valmistukseen. Se on yksinkertainen, kustannustehokas ja pystyy muodostamaan monimutkaisia muotoja. Sen tuotantosykli on kuitenkin pitkä, mikä ei edistä teollisen mittakaavan tuotantoa.
2. Paineton sintraus (PLS):Tämä on yksinkertaisin ja yksinkertaisin sintrausprosessi. Se vaatii kuitenkin korkealaatuisia Si3N4-raaka-aineita ja johtaa usein keramiikkaan, jolla on pienempi tiheys, merkittävä kutistuminen ja taipumus halkeilla tai muotoutua.
3. Kuumapuristussintraus (HP):Yksiaksiaalisen mekaanisen paineen käyttö lisää sintrauksen käyttövoimaa, mikä mahdollistaa tiheän keramiikan valmistuksen 100-200°C alhaisemmissa lämpötiloissa kuin paineettomassa sintrauksessa. Tätä menetelmää käytetään tyypillisesti suhteellisen yksinkertaisen lohkomaisen keramiikan valmistukseen, mutta sitä on vaikea täyttää substraattimateriaalien paksuus- ja muotovaatimukset.
4. Spark Plasma Sintraus (SPS):SPS:lle on ominaista nopea sintraus, jyvien jalostus ja alhaisemmat sintrauslämpötilat. SPS vaatii kuitenkin merkittäviä investointeja laitteisiin, ja korkean lämmönjohtavuuden omaavan Si3N4-keramiikan valmistus SPS:n avulla on vielä koevaiheessa eikä sitä ole vielä teollistettu.
5. Kaasupainesintraus (GPS):Kaasunpaineella tämä menetelmä estää keraamisen hajoamisen ja painon vähenemisen korkeissa lämpötiloissa. Se on helpompi valmistaa korkeatiheyksistä keramiikkaa ja mahdollistaa erätuotannon. Yksivaiheisella kaasupainesintrausprosessilla on kuitenkin vaikeuksia tuottaa rakenteellisia komponentteja, joilla on yhtenäinen sisäinen ja ulkoinen väri ja rakenne. Kaksivaiheisen tai monivaiheisen sintrausprosessin käyttö voi vähentää merkittävästi rakeiden välistä happipitoisuutta, parantaa lämmönjohtavuutta ja parantaa yleisiä ominaisuuksia.
Kaksivaiheisen kaasupainesintrauksen korkea sintrauslämpötila on kuitenkin johtanut siihen, että aikaisemmat tutkimukset keskittyvät pääasiassa Si3N4-keraamisten substraattien valmistukseen, joilla on korkea lämmönjohtavuus ja huoneenlämpötilassa vallitseva taivutuslujuus. Si3N4-keramiikkaa, jolla on kattavat mekaaniset ominaisuudet ja korkean lämpötilan mekaaniset ominaisuudet, on suhteellisen vähän.
Kaasupaineinen kaksivaiheinen sintrausmenetelmä Si3N4:lle
Yang Zhou ja kollegat Chongqingin teknillisestä yliopistosta käyttivät sintrausapujärjestelmää, jossa oli 5 painoprosenttia Yb2O3 + 5 painoprosenttia Al2O3 valmistaakseen Si3N4-keramiikkaa käyttämällä sekä yksivaiheisia että kaksivaiheisia kaasupainesintrausprosesseja 1800 °C:ssa. Kaksivaiheisella sintrausprosessilla valmistetulla Si3N4-keramiikalla oli suurempi tiheys ja paremmat kokonaisvaltaiset mekaaniset ominaisuudet. Seuraavassa on yhteenveto yksivaiheisten ja kaksivaiheisten kaasupainesintrausprosessien vaikutuksista Si3N4-keraamisten komponenttien mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.
Tiheys Si3N4:n tiivistysprosessi käsittää tyypillisesti kolme vaihetta, joissa vaiheet menevät päällekkäin. Ensimmäinen vaihe, hiukkasten uudelleenjärjestely, ja toinen vaihe, liukeneminen-saostus, ovat kriittisimmät vaiheet tiivistymiselle. Riittävä reaktioaika näissä vaiheissa parantaa merkittävästi näytteen tiheyttä. Kun esisintrauslämpötila kaksivaiheisessa sintrausprosessissa on asetettu arvoon 1600 °C, β-Si3N4-rakeet muodostavat rungon ja muodostavat suljetut huokoset. Esisintrauksen jälkeen lisäkuumennus korkeassa lämpötilassa ja typen paineessa edistää nestefaasin virtausta ja täyttymistä, mikä auttaa poistamaan suljetut huokoset ja parantamaan entisestään Si3N4-keramiikan tiheyttä. Siksi kaksivaiheisella sintrausprosessilla valmistetuilla näytteillä on suurempi tiheys ja suhteellinen tiheys kuin yksivaiheisella sintrauksella valmistetuilla näytteillä.
Vaihe ja mikrorakenne Yksivaiheisen sintrauksen aikana hiukkasten uudelleenjärjestelyyn ja raerajadiffuusioon käytettävissä oleva aika on rajallinen. Kaksivaiheisessa sintrausprosessissa ensimmäinen vaihe suoritetaan alhaisessa lämpötilassa ja alhaisessa kaasunpaineessa, mikä pidentää hiukkasten uudelleenjärjestelyaikaa ja johtaa suurempiin rakeisiin. Lämpötila nostetaan sitten korkean lämpötilan vaiheeseen, jossa jyvät jatkavat kasvuaan Ostwald-kypsytysprosessin aikana, jolloin saadaan tiheästi Si3N4-keramiikkaa.
Mekaaniset ominaisuudet Rakeiden välisen faasin pehmeneminen korkeissa lämpötiloissa on ensisijainen syy lujuuden heikkenemiseen. Yksivaiheisessa sintrauksessa epänormaali raekasvu luo pieniä huokosia rakeiden väliin, mikä estää merkittävän lujuuden paranemisen korkeassa lämpötilassa. Kuitenkin kaksivaiheisessa sintrausprosessissa lasifaasi, joka jakautuu tasaisesti raerajoille, ja tasakokoiset rakeet parantavat rakeiden välistä lujuutta, mikä johtaa korkeampaan taivutuslujuuteen korkeassa lämpötilassa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että pitkäaikainen pito yksivaiheisen sintrauksen aikana voi tehokkaasti vähentää sisäistä huokoisuutta ja saavuttaa yhtenäisen sisäisen värin ja rakenteen, mutta voi johtaa epänormaaliin raekasvuun, mikä heikentää tiettyjä mekaanisia ominaisuuksia. Käyttämällä kaksivaiheista sintrausprosessia - käyttämällä matalan lämpötilan esisintrausta pidentämään hiukkasten uudelleenjärjestelyaikaa ja pitämään korkeassa lämpötilassa tasaisen rakeiden kasvun edistämiseksi - Si₃N4-keramiikka, jonka suhteellinen tiheys on 98,25 %, tasainen mikrorakenne ja erinomaiset kattavat mekaaniset ominaisuudet voidaan valmistaa onnistuneesti.
| Nimi | Substraatti | Epitaksiaalikerroksen koostumus | Epitaksiaalinen prosessi | Epitaksiaalinen väliaine |
| Homoepitaksiaalinen silikoni | Si | Si | Höyryfaasiepitaksi (VPE) | SiCl4+H2 |
| Pii heteroepitaksiaalinen | Safiiri tai spinelli | Si | Höyryfaasiepitaksi (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaksiaalinen | GaAs | GaAs GaAs | Höyryfaasiepitaksi (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksiaalinen | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Nestefaasiepitaksi (LPE) Höyryfaasi (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksiaalinen | GaP | GaP(GaP;N) | Nestefaasiepitaksi (LPE) Nestefaasiepitaksi (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superhila | GaAs | GaAlAs/GaAs (sykli) | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksiaalinen | InP | InP | Höyryfaasiepitaksi (VPE) Nestefaasiepitaksi (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs-epitaksi | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3+AsH3+H2 |
Postitusaika: 24.12.2024