Les ceràmiques de nitrur de silici (Si₃N₄), com a ceràmica estructural avançada, posseeixen excel·lents propietats com ara resistència a alta temperatura, alta resistència, alta tenacitat, alta duresa, resistència a la fluència, resistència a l'oxidació i resistència al desgast. A més, ofereixen una bona resistència al xoc tèrmic, propietats dielèctriques, alta conductivitat tèrmica i un excel·lent rendiment de transmissió d'ones electromagnètiques d'alta freqüència. Aquestes propietats integrals excepcionals els fan àmpliament utilitzats en components estructurals complexos, especialment en camps aeroespacials i d'alta tecnologia.
No obstant això, Si₃N₄, al ser un compost amb forts enllaços covalents, té una estructura estable que dificulta la sinterització a alta densitat només mitjançant la difusió en estat sòlid. Per afavorir la sinterització, s'afegeixen ajudes de sinterització, com ara òxids metàl·lics (MgO, CaO, Al₂O₃) i òxids de terres rares (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), per facilitar la densificació mitjançant un mecanisme de sinterització en fase líquida.
Actualment, la tecnologia global dels dispositius semiconductors està avançant cap a tensions més altes, corrents més grans i densitats de potència més grans. La investigació sobre mètodes per fabricar ceràmica Si₃N₄ és àmplia. Aquest article presenta processos de sinterització que milloren eficaçment la densitat i les propietats mecàniques completes de la ceràmica de nitrur de silici.
Mètodes de sinterització comuns per a ceràmiques Si₃N₄
Comparació del rendiment de les ceràmiques de Si₃N₄ preparades per diferents mètodes de sinterització
1. Sinterització reactiva (RS):La sinterització reactiva va ser el primer mètode utilitzat per preparar industrialment ceràmica Si₃N₄. És senzill, rendible i capaç de formar formes complexes. No obstant això, té un cicle de producció llarg, que no és propici per a la producció a escala industrial.
2. Sinterització sense pressió (PLS):Aquest és el procés de sinterització més bàsic i senzill. Tanmateix, requereix matèries primeres de Si₃N₄ d'alta qualitat i sovint es tradueix en ceràmiques amb menor densitat, contracció significativa i tendència a esquerdar-se o deformar-se.
3. Sinterització per premsa en calent (HP):L'aplicació de pressió mecànica uniaxial augmenta la força motriu per a la sinterització, permetent que es produeixin ceràmiques denses a temperatures 100-200 °C inferiors a les que s'utilitzen en la sinterització sense pressió. Aquest mètode s'utilitza normalment per fabricar ceràmiques en forma de bloc relativament senzilles, però és difícil complir els requisits de gruix i forma dels materials de substrat.
4. Sinterització de plasma amb espurna (SPS):SPS es caracteritza per una sinterització ràpida, refinament del gra i temperatures de sinterització reduïdes. Tanmateix, SPS requereix una inversió important en equips i la preparació de ceràmiques Si₃N₄ d'alta conductivitat tèrmica mitjançant SPS encara es troba en fase experimental i encara no s'ha industrialitzat.
5. Sinterització a pressió de gas (GPS):Mitjançant l'aplicació de pressió de gas, aquest mètode inhibeix la descomposició de la ceràmica i la pèrdua de pes a altes temperatures. És més fàcil produir ceràmica d'alta densitat i permet la producció per lots. Tanmateix, un procés de sinterització a pressió de gas d'un sol pas lluita per produir components estructurals amb un color i una estructura interiors i externs uniformes. L'ús d'un procés de sinterització de dos o diversos passos pot reduir significativament el contingut d'oxigen intergranular, millorar la conductivitat tèrmica i millorar les propietats generals.
Tanmateix, l'elevada temperatura de sinterització de la sinterització a pressió de gas en dos passos ha fet que les investigacions anteriors se centren principalment en la preparació de substrats ceràmics de Si₃N₄ amb alta conductivitat tèrmica i resistència a la flexió a temperatura ambient. La investigació sobre ceràmiques Si₃N₄ amb propietats mecàniques completes i propietats mecàniques a alta temperatura és relativament limitada.
Mètode de sinterització en dos passos a pressió de gas per a Si₃N₄
Yang Zhou i els seus col·legues de la Universitat Tecnològica de Chongqing van utilitzar un sistema d'ajuda a la sinterització de 5% en pes de Yb₂O₃ + 5% en pes d'Al₂O₃ per preparar ceràmiques Si₃N₄ utilitzant processos de sinterització a pressió de gas d'un i dos passos a 1800 °C. La ceràmica Si₃N₄ produïda pel procés de sinterització en dos passos tenia una densitat més alta i unes propietats mecàniques millors. A continuació es resumeixen els efectes dels processos de sinterització per pressió de gas en un i dos passos sobre la microestructura i les propietats mecàniques dels components ceràmics Si₃N₄.
Densitat El procés de densificació de Si₃N₄ normalment inclou tres etapes, amb superposició entre les etapes. La primera etapa, la reordenació de partícules, i la segona, la dissolució-precipitació, són les etapes més crítiques per a la densificació. Un temps de reacció suficient en aquestes etapes millora significativament la densitat de la mostra. Quan la temperatura de presinterització per al procés de sinterització en dos passos s'estableix a 1600 °C, els grans de β-Si₃N₄ formen un marc i creen porus tancats. Després de la presinterització, un escalfament addicional a alta temperatura i pressió de nitrogen afavoreix el flux i l'ompliment en fase líquida, cosa que ajuda a eliminar els porus tancats, millorant encara més la densitat de la ceràmica Si₃N₄. Per tant, les mostres produïdes pel procés de sinterització en dos passos mostren una densitat i una densitat relativa més altes que les produïdes per la sinterització d'un sol pas.
Fase i microestructura Durant la sinterització d'un sol pas, el temps disponible per a la reordenació de partícules i la difusió del límit del gra és limitat. En el procés de sinterització de dos passos, el primer pas es realitza a baixa temperatura i baixa pressió de gas, la qual cosa allarga el temps de reordenació de partícules i dóna lloc a grans més grans. Aleshores, la temperatura augmenta fins a l'etapa d'alta temperatura, on els grans continuen creixent a través del procés de maduració d'Ostwald, donant lloc a ceràmica Si₃N₄ d'alta densitat.
Propietats mecàniques El suavització de la fase intergranular a altes temperatures és la raó principal de la reducció de la resistència. En la sinterització d'un sol pas, el creixement anormal del gra crea petits porus entre els grans, cosa que impedeix una millora significativa de la resistència a alta temperatura. Tanmateix, en el procés de sinterització de dos passos, la fase de vidre, distribuïda uniformement en els límits del gra, i els grans de mida uniforme milloren la resistència intergranular, donant lloc a una resistència a la flexió a alta temperatura més alta.
En conclusió, la retenció prolongada durant la sinterització d'un sol pas pot reduir eficaçment la porositat interna i aconseguir un color i una estructura interns uniformes, però pot provocar un creixement anormal del gra, que degrada certes propietats mecàniques. Mitjançant l'ús d'un procés de sinterització de dos passos, utilitzant la presinterització a baixa temperatura per allargar el temps de reordenació de partícules i la retenció a alta temperatura per promoure un creixement uniforme del gra, una ceràmica de Si₃N₄ amb una densitat relativa del 98,25%, una microestructura uniforme i excel·lents propietats mecàniques completes. es pot preparar amb èxit.
| Nom | Substrat | Composició de la capa epitaxial | Procés epitaxial | Mitjà epitaxial |
| Silici homoepitaxial | Si | Si | Epitaxia en fase de vapor (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silici heteroepitaxial | Safir o espinela | Si | Epitaxia en fase de vapor (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia en fase de vapor (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia de feix molecular (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaxia en fase líquida (LPE) Fase de vapor (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga + Ash3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | GaP | GaP(GaP;N) | Epitaxia en fase líquida (LPE) Epitaxia en fase líquida (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superreixat | GaAs | GaAlAs/GaAs (cicle) | Epitaxia de feix molecular (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | Epitaxia en fase de vapor (VPE) Epitaxia en fase líquida (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitaxia Si/GaAs | Si | GaAs | Epitaxia de feix molecular (MBE) MOGVD | Ga, As GaR₃+AsH₃+H₂ |
Hora de publicació: 24-12-2024