سرامیک های نیترید سیلیکون (Si3N4)، به عنوان سرامیک های ساختاری پیشرفته، دارای خواص عالی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، استحکام بالا، چقرمگی بالا، سختی بالا، مقاومت در برابر خزش، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر سایش هستند. علاوه بر این، آنها مقاومت در برابر شوک حرارتی، خواص دی الکتریک، هدایت حرارتی بالا و عملکرد عالی انتقال امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا را ارائه می دهند. این ویژگی‌های جامع برجسته باعث می‌شود که آنها به طور گسترده در اجزای ساختاری پیچیده، به‌ویژه در هوافضا و سایر زمینه‌های با فناوری پیشرفته مورد استفاده قرار گیرند.
با این حال، Si3N4، که یک ترکیب با پیوندهای کووالانسی قوی است، دارای ساختاری پایدار است که از طریق انتشار حالت جامد به تنهایی، پخت تا چگالی بالا را دشوار می‌کند. برای ترویج پخت، مواد کمکی تف جوشی، مانند اکسیدهای فلزی (MgO، CaO، Al2O3) و اکسیدهای خاکی کمیاب (Yb2O3، Y2O3، Lu2O3، CeO2)، اضافه می شوند تا چگالش را از طریق مکانیسم تف جوشی در فاز مایع تسهیل کنند.
در حال حاضر، فناوری دستگاه های نیمه هادی جهانی به سمت ولتاژهای بالاتر، جریان های بزرگتر و چگالی توان بیشتر در حال پیشرفت است. تحقیقات در مورد روش های ساخت سرامیک Si3N4 گسترده است. این مقاله فرآیندهای تف جوشی را معرفی می کند که به طور موثر چگالی و خواص مکانیکی جامع سرامیک های نیترید سیلیکون را بهبود می بخشد.
روش های متداول پخت برای سرامیک های Si3N4
مقایسه عملکرد سرامیک های Si3N4 تهیه شده با روش های مختلف تف جوشی
1. تف جوشی واکنشی (RS):تف جوشی واکنشی اولین روشی بود که برای تهیه صنعتی سرامیک Si3N4 استفاده شد. ساده، مقرون به صرفه است و قادر به تشکیل اشکال پیچیده است. با این حال، چرخه تولید طولانی دارد که برای تولید در مقیاس صنعتی مناسب نیست.
2. تف جوشی بدون فشار (PLS):این ابتدایی ترین و ساده ترین فرآیند پخت است. با این حال، به مواد اولیه Si3N4 با کیفیت بالا نیاز دارد و اغلب منجر به سرامیک هایی با چگالی کمتر، انقباض قابل توجه و تمایل به ترک خوردن یا تغییر شکل می شود.
3. تف جوشی با فشار داغ (HP):اعمال فشار مکانیکی تک محوری، نیروی محرکه برای تف جوشی را افزایش می دهد، و اجازه می دهد تا سرامیک های متراکم در دماهای 100-200 درجه سانتی گراد کمتر از آن هایی که در پخت بدون فشار استفاده می شوند، تولید شوند. این روش معمولاً برای ساخت سرامیک های بلوکی شکل نسبتاً ساده استفاده می شود، اما برآورده کردن الزامات ضخامت و شکل برای مواد زیرلایه دشوار است.
4. تف جوشی پلاسمای جرقه ای (SPS):SPS با پخت سریع، پالایش دانه و کاهش دمای پخت مشخص می شود. با این حال، SPS نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی در تجهیزات دارد و تهیه سرامیک های Si3N4 با هدایت حرارتی بالا از طریق SPS هنوز در مرحله آزمایشی است و هنوز صنعتی نشده است.
5. تف جوشی با فشار گاز (GPS):این روش با اعمال فشار گاز از تجزیه سرامیک و کاهش وزن در دماهای بالا جلوگیری می کند. تولید سرامیک با چگالی بالا آسان تر است و تولید دسته ای را امکان پذیر می کند. با این حال، یک فرآیند تف جوشی فشار گاز تک مرحله ای برای تولید اجزای ساختاری با رنگ و ساختار داخلی و خارجی یکنواخت تلاش می کند. استفاده از فرآیند پخت دو مرحله ای یا چند مرحله ای می تواند به طور قابل توجهی محتوای اکسیژن بین دانه ای را کاهش دهد، هدایت حرارتی را بهبود بخشد و خواص کلی را افزایش دهد.
با این حال، دمای تف جوشی بالا در تف جوشی دو مرحله ای با فشار گاز باعث شده است که تحقیقات قبلی عمدتاً بر روی تهیه بسترهای سرامیکی Si3N4 با رسانایی حرارتی بالا و مقاومت خمشی در دمای اتاق تمرکز کنند. تحقیقات روی سرامیک های Si3N4 با خواص مکانیکی جامع و خواص مکانیکی در دمای بالا نسبتاً محدود است.
روش زینترینگ دو مرحله ای با فشار گاز برای Si3N4
یانگ ژو و همکارانش از دانشگاه فناوری چونگ کینگ از یک سیستم کمک تف جوشی 5 درصد وزنی Yb2O3 + 5 درصد وزنی Al2O3 برای تهیه سرامیک Si3N4 با استفاده از فرآیندهای زینترینگ فشار گاز یک مرحله ای و دو مرحله ای در دمای 1800 درجه سانتی گراد استفاده کردند. سرامیک های Si3N4 تولید شده توسط فرآیند تف جوشی دو مرحله ای چگالی بالاتر و خواص مکانیکی جامع بهتری داشتند. در زیر اثرات فرآیندهای تف جوشی فشار گاز یک مرحله ای و دو مرحله ای بر ریزساختار و خواص مکانیکی اجزای سرامیکی Si3N4 خلاصه می شود.
چگالی فرآیند چگالش Si3N4 معمولاً شامل سه مرحله است که بین مراحل همپوشانی دارند. مرحله اول، بازآرایی ذرات، و مرحله دوم، انحلال-رسوب، بحرانی ترین مراحل برای چگالش هستند. زمان واکنش کافی در این مراحل به طور قابل توجهی تراکم نمونه را بهبود می بخشد. هنگامی که دمای پیش پخت برای فرآیند پخت دو مرحله ای روی 1600 درجه سانتیگراد تنظیم می شود، دانه های β-Si3N4 چارچوبی را تشکیل می دهند و منافذ بسته ایجاد می کنند. پس از پیش پخت، گرمایش بیشتر در دمای بالا و فشار نیتروژن باعث افزایش جریان فاز مایع و پر شدن می شود که به از بین بردن منافذ بسته کمک می کند و چگالی سرامیک های Si3N4 را بیشتر می کند. بنابراین، نمونه های تولید شده توسط فرآیند تف جوشی دو مرحله ای، چگالی و چگالی نسبی بالاتری نسبت به نمونه های تولید شده توسط پخت یک مرحله ای نشان می دهند.
فاز و ریزساختار در طول پخت یک مرحله‌ای، زمان موجود برای بازآرایی ذرات و انتشار مرز دانه‌ها محدود است. در فرآیند پخت دو مرحله‌ای، مرحله اول در دمای پایین و فشار گاز کم انجام می‌شود که زمان بازآرایی ذرات را افزایش می‌دهد و منجر به دانه‌های بزرگتر می‌شود. سپس دما تا مرحله دمای بالا افزایش می‌یابد، جایی که دانه‌ها از طریق فرآیند رسیدن استوالد به رشد خود ادامه می‌دهند و سرامیک‌های Si3N4 با چگالی بالا تولید می‌کنند.
خواص مکانیکی نرم شدن فاز بین دانه ای در دماهای بالا دلیل اصلی کاهش استحکام است. در تف جوشی یک مرحله ای، رشد غیرعادی دانه منافذ کوچکی بین دانه ها ایجاد می کند که از بهبود قابل توجه استحکام در دمای بالا جلوگیری می کند. با این حال، در فرآیند پخت دو مرحله‌ای، فاز شیشه‌ای که به طور یکنواخت در مرزهای دانه توزیع می‌شود و دانه‌های با اندازه یکنواخت استحکام بین دانه‌ای را افزایش می‌دهند و در نتیجه مقاومت خمشی در دمای بالا را افزایش می‌دهند.
در نتیجه، نگهداری طولانی مدت در طول پخت یک مرحله‌ای می‌تواند به طور موثری تخلخل داخلی را کاهش دهد و رنگ و ساختار داخلی یکنواخت را به دست آورد، اما ممکن است منجر به رشد غیر طبیعی دانه شود که خواص مکانیکی خاصی را کاهش می‌دهد. با استفاده از یک فرآیند تف جوشی دو مرحله ای - با استفاده از پیش تف جوشی در دمای پایین برای افزایش زمان بازآرایی ذرات و نگهداری در دمای بالا برای ارتقاء رشد یکنواخت دانه - یک سرامیک Si3N4 با چگالی نسبی 98.25٪، ریزساختار یکنواخت و خواص مکانیکی جامع عالی. را می توان با موفقیت آماده کرد.
| نام | بستر | ترکیب لایه اپیتاکسیال | فرآیند اپیتاکسیال | محیط اپیتاکسیال |
| سیلیکون هومواپیتاکسیال | Si | Si | اپیتاکسی فاز بخار (VPE) | SiCl4+H2 |
| سیلیکون هترواپیتاکسیال | یاقوت کبود یا اسپینل | Si | اپیتاکسی فاز بخار (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs هومواپیتاکسیال | GaAs | GaAs GaAs | اپیتاکسی فاز بخار (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) | Ga+As | |
| GaAs هترواپیتاکسیال | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | اپیتاکسی فاز مایع (LPE) فاز بخار (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP هومواپیتاکسیال | GaP | شکاف (GaP;N) | اپیتاکسی فاز مایع (LPE) اپیتاکسی فاز مایع (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| سوپرشبکه | GaAs | GaAlAs/GaAs (چرخه) | اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP هومواپیتاکسیال | InP | InP | اپیتاکسی فاز بخار (VPE) اپیتاکسی فاز مایع (LPE) | PCl3+In+H2 در+InAs+GaAs+InP+H2 |
| اپیتاکسی Si/GaAs | Si | GaAs | اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) MOGVD | گا، به عنوان GaR3+AsH3+H2 |
زمان ارسال: دسامبر-24-2024