Räninitriidi (Si3N4) keraamika on mittemetalliline materjal, mis on valmistatud räninitriidi pulbrist selliste protsesside käigus nagu vormimine ja paagutamine ning millel on suurepärased kõikehõlmavad omadused. Räninitriidkeraamilistel materjalidel on silmapaistvad füüsikalised ja keemilised omadused, mida on raske tavalistel metallmaterjalidel ja polümeermaterjalidel omavahel sobitada, sealhulgas kulumiskindlus, korrosioonikindlus (vastupidavus kõikidele hapetele ja alustele, välja arvatud vesinikfluoriidhape ja kontsentreeritud NaOH), vastupidavus kõrgele temperatuurile (talub kõrgeid temperatuure üle 1800 kraadi, maksimaalse töötemperatuuriga üle 1400 kraadi), ja muu kõrge vastupidavus (keraamika) juhtivus. Need taluvad karmi töökeskkonda, millega metall- või polümeermaterjalid hakkama ei saa, nii et räninitriidkeraamilised materjalid võivad asendada paljusid traditsioonilisi materjale ja neid kasutatakse laialdaselt mitmes tööstusvaldkonnas. Kvaliteetne pulber on suure jõudlusega räninitriidkeraamika valmistamise aluseks ja odav pulbri valmistamise tehnoloogia on räni nitriidkeraamika laialdase kasutamise võti. Räninitriidi pulbri peamised valmistamismeetodid hõlmavad otsest ränipulbri nitridimist, isepaljunevat sünteesi, karbotermilist redutseerimist ja termilist lagunemist.
Otsene ränipulbri nitrideerimine. Ränipulber reageerib otse lämmastiku, ammoniaagi või muu lämmastikku sisaldava atmosfääriga, moodustades räninitriidi pulbri. Sellel meetodil on suhteliselt küps protsess, see võib saavutada suuremahulist tootmist ja suhteliselt madalate tootmiskuludega ning seda kasutavad enamik kodumaiseid ja rahvusvahelisi ettevõtteid.
Isepaljuv kõrgtemperatuuriline süntees (SHS). Põhimõte seisneb selles, et pärast toormaterjalide süütamist hajub reaktsioon reageerimata piirkonda, kuni reaktsioon on lõppenud. Selle eripäraks on see, et välist soojusallikat pole vaja ja vajalik soojus saadakse selle enda põlemisel. Selle pulbri valmistamise meetodi eelisteks on kõrge efektiivsus, energiasäästlikkus ja keskkonnakaitse, kuid pulbri valmistamisel on liiga kiire reaktsioonikiiruse tõttu reaktsiooniprotsessi raske kontrollida.
Karbotermiline redutseerimismeetod. Kasutades räniallikana SiO2 ja redutseerijana süsinikku, sünteesitakse räninitriid süsiniku redutseerimise ja nitrideerimisreaktsiooni kaudu temperatuuril üle 1400 kraadi N2 atmosfääris. Selles meetodis kasutatavad toorained on madala hinnaga, valmistatud pulbertoote osakeste suurus on väike, reaktsioonikiirus on kiire, -Si3N4 sisaldus kõrge ja see sobib suuremahuliseks tootmiseks. Valmistatud räninitriidi pulber sisaldab aga sageli süsiniku või ränikarbiidi jääkaineid, mistõttu ei ole valmistatud pulbri puhtus kõrge, mis mõjutab toote kvaliteeti ja kasutust.
Ränimiidi pürolüüsi meetod. Meetod suhteliselt kõrge faasisisaldusega Si3N4 pulbri valmistamiseks liidese reaktsiooni ja termilise lagunemise teel. Seda meetodit on raske valmistada, sellel on kõrged tehnilised tõkked ja kõrged nõuded tooraine puhtusele. Selle raskus seisneb selles, et stabiilse tahke ränimiidi (Si(NH)2) saamine ei ole lihtne. Selle meetodiga saab toota kõrge puhtusastmega kvaliteetset räninitriidi pulbrit.
Ränimiidi pürolüüsimeetodi protsessi vooskeem
02 Erinevad rakendused: kolm peamist toodet haaravad kõrgekvaliteediliste materjalide raja
Räninitriidkeraamikatooted hõlmavad peamiselt kolme peamist kategooriat: keraamilised aluspinnad, keraamilised kuulid ja konstruktsioonikomponendid. Praegu domineerivad keraamiliste substraatide ja kõrgekvaliteediliste kuumisostaatpressimise (HIP) keraamiliste kuulide valdkonnas endiselt Jaapani ja Ameerika ettevõtted, nagu Kyocera, Toshiba Materials, Maruwa ja CoorsTek, samas kui kodumaiste ettevõtete hulka kuuluvad peamiselt Sinoma Advanced Materials, Guoci Jinsheng, Hengyang Kaixin jt.
Keraamilised aluspinnad
Räninitriidi peetakse kõige parema jõudlusega keraamiliseks substraadimaterjaliks, mille soojusjuhtivus ulatub 90–120 W/(m·k), soojuspaisumise koefitsient 3,2×10–6/kraad ning suurepärane mehaaniline tugevus, hea keemiline stabiilsus ja termilise šoki vastupidavus. Kolmanda põlvkonna pooljuhtseadmete ja suure võimsustihedusega rakenduste kiire arenguga kasvab turu nõudlus suure jõudlusega keraamiliste substraatide järele ning räninitriidsubstraadid on järk-järgult muutumas üheks oluliseks tehniliseks teeks tipptasemel toitemoodulite jaoks.
Silikoonnitriidkeraamiline leht, pildi allikas: Ferrotec
Praegu on tööstuses tavaliselt kasutatav räninitriidkeraamiliste substraatide valmistamise meetod orgaaniline lindivalu. Esiteks segatakse räninitriidi pulber, dispergeerija, paagutamise abivahend ja orgaaniline lahusti esmase kuuljahvatamise teel ning samal ajal jahvatatakse pulber kuuljahvatamisel vajaliku osakese suuruseni; seejärel lisatakse kuuljahvatatud suspensioonile sekundaarseks kuuljahvatamiseks sideainet ja plastifikaatorit, et see ühtlaselt seguneks; pärast vahu eemaldamist saadakse vajalik läga. Suspensioon lisatakse lindivalu masinasse lindivalamiseks, et saada haljaskeha, seejärel lõigatakse roheline keha nõutavasse mõõtu, eemaldatakse sideaine ja paagutatakse ning lõpuks saadakse paagutatud räninitriidkeraamiline substraat. Paagutamismeetodid hõlmavad peamiselt reaktsioonipaagutamist (RS), kuumpressimisega paagutamist (HPS), rõhuvaba paagutamist (PLS) ja gaasirõhuga paagutamist (GPS).
Enne pakendis kasutamist tuleb keraamilised aluspinnad metallistada, see tähendab, et keraamilisele pinnale moodustatakse vaskkatte või vaskkattega juhtiv kiht, et ühendada elektroonilised komponendid ja realiseerida vooluahela juhtiv funktsioon. Levinud keraamiliste metalliseerimisprotsesside hulka kuuluvad DPC, DBC ja AMB.
Hiina räninitriidkeraamikatööstus sai alguse suhteliselt hilja. Kvaliteetsetel räninitriidkeraamikatoodetel on mõnede peamiste tulemusnäitajate osas välisriikidega võrreldes veel puudujääke ja mõned sõltuvad impordist, kuid madala ja keskmise hinnaklassi tooted on põhimõtteliselt saavutanud kodumaise toodangu. Puudused väljenduvad peamiselt tehnoloogilises paranemises, sõltuvuses imporditavatest seadmetest, ebastabiilsest tootekvaliteedist, ebaratsionaalsest tööstusstruktuurist ja turu ebapiisavast arengust.
Keraamilised pallid
Võrreldes teraskuulidega on räninitriidi keraamiliste kuulide eeliseks kõrge piirkiirus, tugev kandevõime, vastupidavus kõrgele temperatuurile ning happe- ja leeliskorrosioonikindlus ning neil on ka teatud isemäärduvad omadused. Veereelementidena on need absoluutsed eelised, neid kasutatakse laialdaselt kiirlaagrites ja neist on saanud kiirete ja ülitäpsete laagrite põhikomponendid.
Räninitriidkeraamiliste kuulide valmistamisprotsess seisneb esmalt tiheda, ülitugeva keraamilise kuuliga paagutatud korpuse tooriku hankimises ja seejärel tooriku täpses töötlemises, et saavutada vajalik suurus, ümarus ja karedus. Ettevalmistusprotsess koosneb üldiselt neljast etapist: tooraine ettevalmistamine, rohelise keha vormimine, kõrgel temperatuuril paagutamine ja jahvatamine. Kuivvormimise eelisteks on kõrge vormimistõhusus, lühike vormimistsükkel ja madal sideainesisaldus ning see on eelistatud vormimismeetod Si3N4 keraamiliste kuulide industrialiseerimiseks. Kuivvormimine hõlmab kuivpressimist ja isostaatilist pressimist, mida mõlemat on tavaliselt kasutatud Si3N4 keraamiliste kuulide rohelise keha vormimisel.
Räninitriidkeraamiliste kuulide masstootmiseks sobivad paagutamismeetodid on gaasisurvepaagutamine (GPS) ja kuumisostaatpressimisega paagutamine (HIP). Nende hulgas kasutab kuumisostaatpressimise tehnoloogia rõhukeskkonnana gaasi ja avaldab paagutamisel keha kõikides suundades võrdset rõhku, saavutades keraamika tihenemise kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul. See on parim protsess suure jõudlusega räninitriidkeraamiliste kuulide valmistamiseks.
GPS-ränitriidi ja HIP-ränitriidi omaduste võrdlustabel
Pärast paagutamist vajavad räninitriidkeraamilised kuulid ka pinnaviimistlust, et need vastaksid suure täpsuse ja madala kareduse nõuetele, sealhulgas lihvimis-, poleerimis- ja superviimistlusprotsessid.
Keraamilised konstruktsioonikomponendid
Täppiskeraamilised konstruktsioonikomponendid on pooljuhtseadmete põhikomponendid ning nende uurimine, arendus ja tootmine mõjutavad otseselt pooljuhtide tööstuse arengut. Räninitriidil on madal soojuspaisumise koefitsient, kõrge soojusjuhtivus, keemilise korrosioonikindlus ja suurepärane soojuslöögikindlus. Kuumpressitud paagutatud Si3N4-l on äärmiselt kõrge kõvadus ja see on äärmiselt kõrge temperatuurikindel. Selle tugevus püsib langemata 1200 kraadi juures ja see ei sula pärast kuumutamist vedelikuks. Seda nimetatakse parima tervikliku jõudlusega keraamiliseks materjaliks ja seda kasutatakse pooljuhtseadmetes vahvlikandjate, küttekehade, söövitusmasina komponentide ja muude valmistamiseks.
Silikoonnitriidkeraamilised konstruktsioonikomponendid, pildi allikas: CeramTec
03 Kokkuvõte
Räninitriidi tulevane täiendav turg laieneb traditsiooniliselt struktuurkeraamikalt kõrgema väärtusega rakendustele. Võimsuspooljuhid vajavad kõrge soojusjuhtivusega ja suure töökindlusega keraamilisi substraate; uued energiasõidukid vajavad suure kulumiskindlusega, suure töökindlusega keraamilisi kuule ja nendega seotud komponente; pooljuhtseadmed vajavad kõrge puhtusastmega, vähese saastumisega korrosioonikindlaid täppiskeraamilisi konstruktsioonikomponente. Pidevate tehnoloogiliste läbimurretega on palju ruumi tipptasemel industrialiseerimiseks ja räninitriidkeraamika koduseks asendamiseks ning tohutu tulevane arengupotentsiaal.