वर्तमान में, चीन और विदेशी देशों में वाणिज्यिक उच्च तापीय चालकता Si3N4 सिरेमिक सब्सट्रेट के बीच अभी भी अंतर है। इसलिए, उच्च तापीय चालकता वाले Si3N4 सिरेमिक सब्सट्रेट का अनुसंधान और विकास निश्चित रूप से चीन में IGBT (इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर) तकनीक के महान विकास को बढ़ावा देगा, और नई ऊर्जा जैसे उच्च-अंत क्षेत्रों में सफलता हासिल करेगा।

हाल के वर्षों में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री की वास्तविक तापीय चालकता में लगातार सुधार हुआ है, लेकिन सैद्धांतिक तापीय चालकता के साथ अभी भी एक बड़ा अंतर है। वर्तमान में, साहित्य सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार करने के तरीकों की रिपोर्ट करता है, जैसे जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करना, क्रिस्टल परिवर्तन को बढ़ावा देना, अनाज की दिशात्मक वृद्धि को साकार करना आदि। यह पेपर बताता है कि सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार कैसे किया जाए और देश और विदेश में उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की अनुसंधान प्रगति पर ध्यान केंद्रित करते हुए बड़े पैमाने पर उत्पादन की मोल्डिंग तकनीक का एहसास किया जाए।

1 जाली ऑक्सीजन का प्रभाव

सिलिकॉन नाइट्राइड का मुख्य ताप हस्तांतरण तंत्र जाली कंपन है, जो फोनन के माध्यम से गर्मी का संचालन करता है। जाली का कंपन रैखिक नहीं है, और जाली के बीच एक निश्चित युग्मन प्रभाव होता है। फोनन एक दूसरे से टकराएंगे, जिससे फोनन का औसत मुक्त पथ कम हो जाएगा। इसके अलावा, Si3N4 क्रिस्टल में सभी प्रकार के दोष, अशुद्धियाँ और अनाज इंटरफेस फोनन बिखरने का कारण बनेंगे, जो फोनन माध्य मुक्त पथ में कमी के बराबर है, जिससे तापीय चालकता कम हो जाएगी। चित्र 3 सिलिकॉन नाइट्राइड की सूक्ष्म संरचना को दर्शाता है।

चित्र: 3 सिलिकॉन नाइट्राइड सिंटेड बॉडी की विशिष्ट सूक्ष्म संरचना

परिणाम बताते हैं कि जाली ऑक्सीजन कई जाली दोषों के बीच सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता को प्रभावित करने वाले मुख्य दोषों में से एक है। सिंटरिंग की प्रक्रिया में, ऑक्सीजन में निम्नलिखित ठोस-समाधान प्रतिक्रिया होगी:

2SiO2→ 2एसआईSi + 4 ओN+VSi    (1)

प्रतिक्रिया में, सिलिकॉन रिक्तियां उत्पन्न होती हैं, और परमाणु प्रतिस्थापन से क्रिस्टल में कुछ विकृति आ जाएगी, जिससे फोनन बिखर जाएगा, जिससे Si3N4 क्रिस्टल की तापीय चालकता कम हो जाएगी।

कितायामा एट अल. दो पहलुओं से Si3N4 क्रिस्टल की तापीय चालकता को प्रभावित करने वाले कारकों का व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया गया: जाली ऑक्सीजन और अनाज सीमा चरण, और पाया कि Si3N4 क्रिस्टल का आकार उपरोक्त कारकों के प्रभाव की डिग्री को बदल देगा। जब अनाज का आकार 1μm से कम होता है, तो जाली ऑक्सीजन की मोटाई और अनाज सीमा चरण तापीय चालकता को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक बन जाएंगे। जब अनाज का आकार 1μm से बड़ा होता है, तो जाली ऑक्सीजन तापीय चालकता को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक होता है। हालाँकि, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तैयारी के लिए बड़े क्रिस्टल अनाज की आवश्यकता होती है। इसलिए, जाली ऑक्सीजन की सामग्री को कम करके उच्च तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड तैयार करना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। जाली ऑक्सीजन की मात्रा को कम करने के प्रभावी तरीकों को निम्नलिखित पहलुओं से वर्णित किया गया है: कच्चे माल का चयन, सिंटरिंग एड्स का चयन और तैयारी प्रक्रिया में कार्बन की कमी।

1.1कच्चे माल का चयन

सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल जाली में ऑक्सीजन सामग्री को कम करने के लिए, कच्चे पाउडर से अशुद्धता ऑक्सीजन सामग्री को कम करना आवश्यक है। वर्तमान में, दो विधियाँ हैं: एक है कच्चे माल के रूप में कम ऑक्सीजन सामग्री वाले सी पाउडर का उपयोग करना, और सी पाउडर के नाइट्राइडिंग और पुन: सिंटरिंग के दो चरणों के माध्यम से उच्च घनत्व और उच्च तापीय चालकता के साथ Si3N4 सिरेमिक प्राप्त करना है। सी पाउडर और सिंटरिंग सहायता से बने सी के घने शरीर को नाइट्रोजन वातावरण में सी के पिघलने बिंदु (1414 ℃) के करीब तापमान तक गर्म किया जाता है, ताकि सी नाइट्राइड हो जाए और छिद्रपूर्ण Si3N4 सिंटरयुक्त शरीर में बदल जाए, जिसे आगे गर्म किया जाता है सिंटर झरझरा Si3N4 को घने Si3N4 सिरेमिक में बदलने के लिए उच्च तापमान। दूसरा कम ऑक्सीजन सामग्री के साथ उच्च शुद्धता α-Si3N4 पाउडर के साथ सिंटरिंग है, या सीधे β-Si3N4 के साथ सिंटरिंग है।

जापान के झोउ और झू ने कच्चे माल के रूप में सी पाउडर के साथ एसआरबीएसएन प्रक्रिया द्वारा 150 डब्ल्यू/(एमके) से अधिक थर्मल चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की एक श्रृंखला तैयार की है। उच्च तापीय चालकता का मुख्य कारण यह है कि सामान्य वाणिज्यिक α-Si3N4 पाउडर की तुलना में, नाइट्राइडिंग के बाद Si पाउडर में ऑक्सीजन की मात्रा और अशुद्धियाँ कम होती हैं।

पार्क एट अल. सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता पर कच्चे माल सी पाउडर के कण आकार के प्रभाव का अध्ययन किया, और पाया कि सी के कण आकार में कमी से सिलिकॉन नाइट्राइड चैनल संकीर्ण हो सकता है, जो सिंटरिंग में छिद्रों को खत्म करने के लिए अनुकूल है। प्रक्रिया, इस प्रकार उच्च घनत्व सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त करना। नतीजे बताते हैं कि जब सी पाउडर 1μm तक कम हो जाता है, तो सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक का सापेक्ष घनत्व 98% से अधिक तक पहुंच सकता है। हालाँकि, SRBSN द्वारा कच्चे माल के कण आकार को कम करने की प्रक्रिया में, कच्चे माल की सतह आसानी से ऑक्सीकृत हो जाती है, और कच्चे माल में जाली ऑक्सीजन की मात्रा बढ़ जाती है।

गुओ एट अल. कच्चे माल के रूप में Si पाउडर और α-Si3N4 के साथ एक तुलनात्मक प्रयोग किया। यह पाया गया है कि कम ऑक्सीजन सामग्री (3%, द्रव्यमान अंश) वाला Si4N0.36 पाउडर नाइट्राइडिंग Si पाउडर द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, और 66.5 W/(mk) की तापीय चालकता वाला सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक दबाव रहित सिंटरिंग द्वारा तैयार किया जा सकता है। समान परिस्थितियों में, α-Si3N4 से बने सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता केवल 56.8 W/(mk) है।

उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को कच्चे माल के रूप में उच्च शुद्धता α-Si3N4 पाउडर का उपयोग करके भी तैयार किया जा सकता है। डुआन एट अल. क्रमशः 3g सेमी-4, 3.20w/(mk), 3 MPa, 60mpa m668/5.13 और 1 GPa की घनत्व, तापीय चालकता, झुकने की ताकत, फ्रैक्चर कठोरता और विकर्स कठोरता के साथ α-Si2N15.06 सिरेमिक तैयार किया। किम एट अल. α-Si78.8N3 से 4 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किया।

लियू ज़िंगली एट अल। प्रारंभिक सामग्री के रूप में β-Si108N626/α-Si3N4 पाउडर के विभिन्न अनुपातों का उपयोग करके 3 W/(mk) की तापीय चालकता और 4 MPa की झुकने की ताकत के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किया। नतीजे बताते हैं कि β-Si3N4 पाउडर सामग्री की वृद्धि के साथ, β-Si3N4 स्तंभ अनाज की औसत लंबाई-व्यास अनुपात कम हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप अनाज थोक घनत्व में कमी आती है, स्तंभ क्रिस्टल अभिन्न संख्या में वृद्धि होती है, अंतर-कणीय की कमी होती है चरण सामग्री और तापीय चालकता में वृद्धि।

पेंग मेंगमेंग एट अल। सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता पर पाउडर प्रकार (β-Si3N4 या α-Si3N4) और एसपीएस होल्डिंग समय के प्रभाव का अध्ययन किया गया। यह पाया गया है कि β-Si3N4 पाउडर द्वारा तैयार सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता उसी प्रक्रिया द्वारा α-Si15N3 पाउडर द्वारा तैयार सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तुलना में 4% अधिक है, जो 105 W/(mk) तक पहुंचती है। विभिन्न कच्चे माल से तैयार Si1N3 सामग्रियों की तापीय चालकता की तुलना के लिए तालिका 4 देखें।

तालिका 1 विभिन्न कच्चे माल से तैयार Si3N4 सामग्रियों की तापीय चालकता की तुलना

उपरोक्त व्यापक शोध के अनुसार, सी पाउडर से बने नमूने उच्च तापीय चालकता प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन पीसने की प्रक्रिया में ऑक्सीकरण करना आसान है, और प्रायोगिक प्रक्रिया थकाऊ है और इसमें लंबा समय लगता है, जो औद्योगिक उत्पादन के लिए अनुकूल नहीं है। . जब उच्च शुद्धता और कम ऑक्सीजन सामग्री वाले α-Si3N4 पाउडर को कच्चे माल के रूप में उपयोग किया जाता है, तो इसकी उच्च शुद्धता के कारण उत्कृष्ट प्रदर्शन वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किए जा सकते हैं, लेकिन इससे लागत में वृद्धि होगी, जो बड़े पैमाने पर अनुकूल नहीं है- बड़े पैमाने पर उत्पादन. यद्यपि उच्च तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त करने के लिए कच्चे माल के रूप में α-Si3N4 के बजाय β-Si3N4 का उपयोग किया जा सकता है, β-Si3N4 के रॉड के आकार के अनाज अनाज पुनर्व्यवस्था में बाधा डालेंगे, जिसके परिणामस्वरूप पापी उत्पादों का घनत्व मुश्किल हो जाएगा।

1.2 सिंटरिंग एड्स का चयन

Si3N4 एक छोटे स्व-प्रसार गुणांक वाला एक सहसंयोजक यौगिक है, और सिंटरिंग के दौरान स्व-प्रसार द्वारा घने क्रिस्टल संरचना बनाना मुश्किल है। इसलिए, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को उचित सिंटरिंग एड्स जोड़कर और सिंटरिंग एड्स के अनुपात को अनुकूलित करके प्राप्त किया जा सकता है। उच्च तापमान पर, सिंटरिंग सहायता Si2N3 सतह पर SiO4 के साथ प्रतिक्रिया करके तरल चरण बनाती है।अंत में, अनाज सीमा चरण बनता है। हालाँकि, अनाज सीमा चरणों की तापीय चालकता केवल 0.7 ~ 1 W/(mk) है, जो सिलिकॉन नाइट्राइड की तापीय चालकता को बहुत कम कर देती है। इसके अलावा, कुछ ऑक्साइड सिंटरिंग एडिटिव्स की शुरूआत से Si3N4 की जाली ऑक्सीजन सामग्री में वृद्धि होगी और तापीय चालकता में कमी आएगी।

वर्तमान में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के लिए कई प्रकार के सिंटरिंग एड्स हैं, जिनमें विभिन्न दुर्लभ पृथ्वी ऑक्साइड, मैग्नीशियम यौगिक, फ्लोराइड और उनके मिश्रित सिंटरिंग एड्स शामिल हैं। दुर्लभ पृथ्वी तत्वों का उपयोग अक्सर उनकी उच्च ऑक्सीजन बन्धुता के कारण Si3N4 जाली से ऑक्सीजन सोखने के लिए किया जाता है। वर्तमान में, आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले मिश्रित सिंटरिंग सहायक मैग्नीशियम ऑक्साइड और दुर्लभ पृथ्वी ऑक्साइड हैं।

जिया एट अल. 2 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने के लिए सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की सिंटरिंग प्रक्रिया में Y3O64.4-MgO जोड़ा गया। गो ने सिंटरिंग सहायता के रूप में Y2O3-MgO का भी उपयोग किया, और सिलिकॉन नाइट्राइड की सूक्ष्म संरचना और तापीय चालकता पर सिंटरिंग सहायता MgO के कण आकार के प्रभाव का अध्ययन किया। यह पाया गया है कि मोटे एमजीओ कणों के जुड़ने से सिंटरिंग के दौरान तरल चरण संरचना का असमान वितरण हो जाएगा, जिससे एमजीओ-समृद्ध क्षेत्र के आसपास Si3N4 अनाज की अधिमान्य वृद्धि होगी, जिससे बड़े कणों के अनुपात में वृद्धि होगी। अंतिम Si3N4 सिरेमिक में Si3N4 अनाज और तापीय चालकता में सुधार।

हालाँकि, ऑक्साइड सिंटरिंग एड्स जोड़ने से अनिवार्य रूप से ऑक्सीजन परमाणुओं का परिचय होगा, इसलिए क्रिस्टल जाली में ऑक्सीजन की अशुद्धियों को कम करने के लिए, ऑक्साइड + गैर-ऑक्साइड का उपयोग सिंटरिंग एड्स के रूप में किया जा सकता है। यांग एट अल. सिंटरिंग एडिटिव के रूप में MgF2-Y2O3 के साथ उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किए। यह पाया गया कि एमजीएफ2 तरल चरण की चिपचिपाहट को कम कर सकता है, कण पुनर्व्यवस्था में तेजी ला सकता है और पाउडर मिश्रण को कम तापमान (1600℃) और कम समय (3 मिनट) पर सघन बना सकता है। इसके अलावा, कम तरल चरण चिपचिपापन और उच्च Si/N परमाणु अनुपात Si3N4 सिरेमिक के α→β चरण संक्रमण और अनाज वृद्धि में योगदान देता है, इस प्रकार Si3N4 सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार होता है।

हू, एट अल. सिंटरिंग एड्स के रूप में MgF2-Y2O3 और MgO-Y2O3 के साथ एक तुलनात्मक परीक्षण किया, और तापीय चालकता पर सिंटरिंग एड्स के अनुपात के प्रभाव का पता लगाया। MgO-Y2O3 की तुलना में, जब MgF3-Y4O19 को सिंटरिंग सहायता के रूप में उपयोग किया जाता है, तो Si2N2 सिरेमिक की तापीय चालकता 3% बढ़ जाती है, और अतिरिक्त मात्रा 4% MgF2 -5%Y2O3 होने पर उच्चतम तापीय चालकता प्राप्त की जा सकती है।

ली ने सिंटरिंग एडिटिव के रूप में Y2O4 -MgO के बजाय Y6Si2N3C-MgO का उपयोग किया। नाइट्रोजन की शुरूआत और सिलिका के उन्मूलन को बढ़ावा देकर, दूसरे चरण में एक उच्च नाइट्रोजन-ऑक्सीजन अनुपात का गठन किया गया, जिसके परिणामस्वरूप अनाज के आकार में वृद्धि हुई, जाली ऑक्सीजन सामग्री में कमी हुई, Si3N4 -Si3N4 की निरंतरता में वृद्धि हुई, और Si3N4 सिरेमिक की तापीय चालकता को 92 W/(mk) से बढ़ाकर 120 W/(mk) करना।

तरल चरण में नाइट्रोजन-ऑक्सीजन अनुपात को और बेहतर बनाने और जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करने के लिए, गैर-ऑक्साइड का उपयोग आमतौर पर सिंटरिंग एड्स के रूप में किया जाता है। ली द्वारा Si3N4 की सूक्ष्म संरचना, तापीय चालकता और यांत्रिक गुणों पर ऑक्साइड और गैर-ऑक्साइड सिंटरिंग एडिटिव्स के प्रभावों का अध्ययन किया गया था। सिंटरिंग एडिटिव के रूप में MgSiN2 -YbF3 के साथ, 3 w/(mk) की तापीय चालकता और 4～101.5 MPa की झुकने की ताकत के साथ Si822N916 सिरेमिक सामग्री तैयार की गई थी। ऑक्साइड सिंटरिंग एडिटिव्स की तुलना में, सिंटरिंग एडिटिव्स के रूप में गैर-ऑक्साइड MgSiN2 और फ्लोराइड सिलिकॉन नाइट्राइड के द्वितीयक चरण और जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम कर सकते हैं, जिसमें दुर्लभ पृथ्वी फ्लोराइड SiO2 के साथ प्रतिक्रिया करके SiF4 उत्पन्न कर सकता है, और SiF4 के वाष्पीकरण से कमी आती है। अनाज सीमा चरण और अनाज सीमा चरण SiO2 में कमी, इस प्रकार तापीय चालकता में सुधार के उद्देश्य को प्राप्त करना। विभिन्न सिंटरिंग एड्स से तैयार सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता की तुलना तालिका 2 में दिखाई गई है, और माइक्रोस्ट्रक्चर चित्र 4 में दिखाया गया है।

तालिका 2 विभिन्न सिंटरिंग एड्स के साथ तैयार Si3N4 सामग्रियों की तापीय चालकता की तुलना

चित्र: 4 ऑक्साइड एडिटिव्स की सूक्ष्म संरचना (ए)एमजीओ-वाई2ओ3 और (डी)एमजीओ-वाईबी2ओ3, मिश्रित एडिटिव्स (बी)एमजीएसआईएन2 -वाई2ओ3 और (ई)एमजीएसआईएन2 -वाईबी2ओ3, गैर-ऑक्साइड एडिटिव्स (सी)एमजीएसआईएन2 -वाईएफ3 और (एफ) ) Mg-Sin2-YF3.

वर्तमान में, मुख्यधारा के सिंटरिंग एड्स में दुर्लभ पृथ्वी तत्व वाई और वाईबी के यौगिक हैं, लेकिन कुछ दुर्लभ पृथ्वी तत्व घनत्व में सुधार नहीं कर सकते हैं। गुओ एट अल. सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने के लिए क्रमशः ZrO2 -MgO-Y2O3 और Eu2O3 -MgO-Y2O3 को सिंटरिंग एड्स के रूप में उपयोग किया जाता है। यह पाया गया कि Eu2O3 -MgO-Y2O3 के जुड़ने से सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक का घनत्व बाधित हो गया।

उपरोक्त शोध के अनुसार, ऑक्साइड सिंटरिंग एड्स की तुलना में, गैर-ऑक्साइड सिंटरिंग एड्स अतिरिक्त नाइट्रोजन परमाणु प्रदान कर सकते हैं, ऑक्सीजन के लिए नाइट्रोजन का अनुपात बढ़ा सकते हैं, क्रिस्टल परिवर्तन को बढ़ावा दे सकते हैं, और जाली ऑक्सीजन और अनाज सीमा चरण की सामग्री को कम करने के लिए SiO2 को कम कर सकते हैं।

1.3 कार्बन की कमी

उपरोक्त सिंटरिंग एड्स, जैसे Y2S4N6C और MgSiN2, जो जाली ऑक्सीजन की सामग्री को प्रभावी ढंग से कम कर सकते हैं, वाणिज्यिक स्रोतों से प्राप्त नहीं किए जा सकते हैं, इस प्रकार बड़े पैमाने पर उत्पादन में परेशानी होती है, और उच्च तापमान ताप उपचार से भी उच्च लागत आएगी। इसलिए, औद्योगिक अनुप्रयोग के दृष्टिकोण से, उच्च तापीय चालकता Si3N4 सिरेमिक की एक सरल और सस्ती तैयारी विधि विकसित करना बहुत महत्वपूर्ण है। यह पाया गया है कि सिंटरिंग प्रक्रिया में कार्बन की एक निश्चित मात्रा को डोपिंग करने से ऑक्सीजन की अशुद्धियाँ कम हो सकती हैं, जो जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करने का एक प्रभावी तरीका है।

कार्बन का व्यापक रूप से गैर-ऑक्साइड सिरेमिक के लिए सिंटरिंग योजक के रूप में उपयोग किया जाता है, और इसका मुख्य कार्य गैर-ऑक्साइड पाउडर की सतह से ऑक्साइड अशुद्धियों को दूर करना है। इस आधार पर, शोधकर्ताओं ने पाया कि थोड़ी मात्रा में कार्बन जोड़ने से AlN सिरेमिक की जाली ऑक्सीजन सामग्री को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, जिससे AlN सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार होता है। इसी प्रकार, Si3N4 सिरेमिक में कार्बन का परिचय भी ऑक्सीजन सामग्री को कम कर सकता है, मुख्यतः क्योंकि नाइट्रिडेशन और पोस्ट-सिंटरिंग की प्रक्रिया में, कार्बन की उचित मात्रा एक बहुत ही स्पष्ट कमी भूमिका निभाएगी, जो SiO के आंशिक दबाव को काफी कम कर सकती है। और इंटरग्रेनुलर सेकेंडरी चरण के एन/ओ परमाणु अनुपात को बढ़ाएं, इस प्रकार एक बिमोडल माइक्रोस्ट्रक्चर का निर्माण करें, बड़े और पतले सिलिकॉन नाइट्राइड कण प्राप्त करें, और सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार करें।

ली जब पाउडर बेस प्लेट के रूप में बीएन के बजाय बीएन/ग्रेफाइट का उपयोग किया जाता है, तो सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता 40.7% बढ़ जाती है। यह पाया गया है कि सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता अभी भी 121 डब्ल्यू/(एमके) तक पहुंच सकती है, भले ही बॉल मिलिंग के बाद सी पाउडर की ऑक्सीजन सामग्री 4.22% तक पहुंच जाए। मुख्य कारण यह है कि ग्रेफाइट में प्रबल अपचायक क्षमता होती है। नाइट्राइडिंग की प्रक्रिया में, यह SiO2 को हटाने को बढ़ावा दे सकता है, द्वितीयक चरण की रासायनिक संरचना को बदल सकता है, और सिंटरिंग की प्रक्रिया में SiO2 और Y2Si3O3N4 द्वितीयक चरणों के उन्मूलन को बढ़ावा दे सकता है, जिससे उत्पाद बड़े रॉड जैसे अनाज का उत्पादन कर सकता है। , जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करना और Si3N4 -Si3N4 की निरंतरता में सुधार करना। नतीजे बताते हैं कि हालांकि कुछ कार्बन को डोप किया जाता है, सिलिकॉन नाइट्राइड की प्रतिरोधकता अपरिवर्तित रहती है, लेकिन अंतिम उत्पाद में उच्च द्रव्यमान हानि अनुपात (25.8%) होता है, जिससे कच्चे माल के नुकसान की लागत बढ़ जाती है।

ली एट अल. पाया गया कि अत्यधिक ग्रेफाइट सतह पर Si3N4 के साथ प्रतिक्रिया करेगा, जो सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के उच्च द्रव्यमान हानि अनुपात का प्रमुख कारक है। इसलिए उन्होंने तैयारी प्रक्रिया में सुधार किया, दो-चरणीय गैस दबाव सिंटरिंग विधि को अपनाया, और सिंटरिंग के लिए कच्चे माल के रूप में 5%α-Si93N3 -4%Yb2O2 -3%MgO के साथ मिश्रित 5% (मोल अंश) कार्बन के पाउडर मिश्रण का उपयोग किया। प्रयोग। नतीजे बताते हैं कि कार्बन मिलाने से Si3N4 सिरेमिक की तापीय चालकता 102 W/(mk) से 128 W/(mk) 25.5% तक बढ़ जाती है। पहली सिंटरिंग प्रक्रिया में, कार्बोथर्मल कटौती प्रक्रिया ने ऑक्सीजन सामग्री को काफी कम कर दिया और इंटरग्रेन्युलर सेकेंडरी चरण के एन/ओ अनुपात में वृद्धि की। अर्ध-तैयार Si3N4 नमूनों में, Y2Si4O7N2 द्वितीयक चरण दिखाई दिया, β-Si3N4 की सामग्री अधिक थी, और रॉड के आकार के β-Si3N4 दाने बड़े थे। दूसरे सिंटरिंग प्रक्रिया में, दूसरे चरण Y2Si4O7N2 कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करके YbSi3N5 बनाता है, जो जाली ऑक्सीजन सामग्री को काफी कम कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप मोटे रॉड के आकार के अनाज और सख्त Si3N4 -Si3N4 इंटरफ़ेस होता है, जो Si3N4 सिरेमिक की तापीय चालकता में काफी सुधार करता है। तैयार Si3N4 की SEM छवि चित्र 5 में दिखाई गई है।

चित्र: अंतिम Si5N3 सिरेमिक नमूने की पॉलिश सतह और प्लाज्मा नक़्क़ाशीदार सतह के 4 SEM माइक्रोग्राफ: (ए) ए) एसएन और (बी) एसएनसी की कम-शक्ति छवियां; (सी)एसएन और (डी)एसएनसी की उच्च शक्ति छवियां

उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक में कार्बन जोड़ना जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करने का एक प्रभावी तरीका है। इस विधि में कच्चे माल और सिंटरिंग एड्स की ऑक्सीजन सामग्री पर कम आवश्यकताएं होती हैं, जो उच्च तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तैयारी लागत को कम करती है। प्रौद्योगिकी के निरंतर सुधार के साथ, इसे औद्योगिक उत्पादन में लागू किए जाने की उम्मीद है।

2 क्रिस्टल परिवर्तन और क्रिस्टल अक्ष अभिविन्यास।

2.1 तापीय चालकता और सुधार विधियों पर क्रिस्टल परिवर्तन का प्रभाव

इसकी अधिक सममित संरचना के कारण β-Si3N4 की तापीय चालकता α-Si3N4 की तुलना में अधिक है। उच्च तापमान पर सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को सिंटर करने की प्रक्रिया में, कच्चे माल का निम्न-तापमान चरण α-Si3N4 विघटन-वर्षा तंत्र के माध्यम से उच्च तापमान चरण β-Si3N4 में परिवर्तित हो जाएगा, लेकिन क्रिस्टल प्रकार परिवर्तन नहीं होता है सिंटरिंग प्रक्रिया में पूर्ण, और अपरिवर्तित α-Si3N4 सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता को बहुत प्रभावित करेगा। क्रिस्टल परिवर्तन को बढ़ावा देने और उच्च β/(α+β) अनुपात प्राप्त करने के लिए, वर्तमान में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियां हैं: (1) सिंटरिंग प्रणाली को बदलना, जैसे सिंटरिंग तापमान बढ़ाना, सिंटरिंग समय और बाद में गर्मी को बढ़ाना इलाज; (2) बीज क्रिस्टल के रूप में α-Si3N4 में उचित मात्रा में β-Si3N4 रॉड के आकार के क्रिस्टल अनाज जोड़े जाते हैं। चित्र 6 बीज जोड़ने के बाद सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के द्विमोडल माइक्रोस्ट्रक्चर वितरण को दर्शाता है।

चित्र: 6 बीज क्रिस्टल जोड़ने के बाद β-Si3N4 सिरेमिक का दोहरे मोड माइक्रोस्ट्रक्चर वितरण।

झोउ एट अल. सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता, झुकने की शक्ति और फ्रैक्चर कठोरता पर विभिन्न सिंटरिंग समय के प्रभावों का पता लगाया। तालिका 3 से यह देखा जा सकता है कि सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता धीरे-धीरे सिंटरिंग समय के बढ़ने के साथ बढ़ती है। यह मुख्य रूप से क्रिस्टल अनाज की निरंतर वृद्धि, β-Si3N4 सामग्री में वृद्धि और विघटन और वर्षा की प्रक्रिया के साथ जाली ऑक्सीजन सामग्री में कमी के कारण है। टोंग वेन्क्सिन एट अल। Si3N4 की तापीय चालकता पर सिंटरिंग तापमान के प्रभाव का अध्ययन किया, और पाया कि 1600℃ पर सिंटर किए गए नमूनों में α चरण और β चरण दोनों शामिल थे। सिंटरिंग तापमान 1700℃ और 1800℃ तक बढ़ने के बाद, नमूने में केवल β चरण मौजूद होता है। सिंटरिंग तापमान में वृद्धि के साथ, नमूने की तापीय चालकता बढ़ जाती है, जो अनाज के आकार में वृद्धि, तरल सामग्री में कमी और कई अनाज सीमाओं के किनारे तरल चरण में स्वतंत्र "ग्लास कैप्सूल" के गठन के कारण हो सकती है। .

तालिका 3 विभिन्न सिंटरिंग समय पर Si3N4 की प्रदर्शन तुलना

झू एट अल. पाया गया कि सिंटरिंग के दौरान बीज क्रिस्टल के रूप में β-Si3N4 जोड़ने से उच्च घनत्व डिग्री और तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त हो सकता है। क्रिस्टल परिवर्तन को और बढ़ावा देने और बड़े आकार के सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज प्राप्त करने के लिए, उच्च तापीय चालकता सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने के लिए शुरुआती पाउडर के रूप में α-Si3N4 के बजाय β-Si3N4 का उपयोग किया जा सकता है। लियांग झेनहुआ ​​आदि ने बीज क्रिस्टल के रूप में 1% (द्रव्यमान अंश) रॉड के आकार के β-Si3N4 कण जोड़े, और सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता 158 W/(mk) तक पहुंच गई। लियू ज़िंगली एट अल। सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता और यांत्रिक गुणों पर β-Si3N4/α-Si3N4 के विभिन्न अनुपातों के प्रभाव का पता लगाया। परिणामों से पता चला कि जब सभी कच्चे माल β-Si3N4 थे, तो सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता उच्चतम थी, जो 108 W/(mk) तक पहुंच गई थी, लेकिन झुकने की ताकत भी कम हो गई थी।

उपरोक्त शोध के अनुसार, सिंटरिंग तापमान में वृद्धि और सिंटरिंग समय को बढ़ाने से कुछ हद तक क्रिस्टल परिवर्तन को बढ़ावा मिल सकता है। क्रिस्टल परिवर्तन को बढ़ावा देने के लिए उचित मात्रा में β-Si3N4 बीज क्रिस्टल जोड़ने से थोड़े समय में β/(α+β) अनुपात बढ़ सकता है, क्रिस्टल अनाज अधिक पूर्ण रूप से विकसित हो सकता है, और उच्च तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त कर सकता है।

2.2 तापीय चालकता और इसकी सुधार विधि पर क्रिस्टल अभिविन्यास का प्रभाव

चूँकि C अक्ष की वृद्धि दर A अक्ष की तुलना में अधिक है, अनिसोट्रोपिक वृद्धि β-Si3N4 की छड़ के आकार और इसके भौतिक गुणों की अनिसोट्रॉपी की ओर ले जाती है। सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज की तापीय चालकता अनिसोट्रोपिक है। A अक्ष और C अक्ष के साथ β-Si3N4 एकल क्रिस्टल की सैद्धांतिक तापीय चालकता क्रमशः 170 W/(mk) और 450 W/(mk) है। इसलिए, दिशात्मक व्यवस्था का एहसास करने और सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज के दिशात्मक विकास को बढ़ावा देने के लिए मोल्डिंग प्रक्रिया में उचित तरीकों को अपनाया जा सकता है। वर्तमान में, मोल्डिंग विधियां जो अनाज को दिशात्मक रूप से विकसित कर सकती हैं उनमें टेप कास्टिंग मोल्डिंग, हॉट प्रेसिंग मोल्डिंग और ग्राउटिंग मोल्डिंग शामिल हैं।

बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की कार्रवाई के तहत, सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल में प्रत्येक क्रिस्टल अक्ष के साथ स्पष्ट वृद्धि अंतर होता है। यह मुख्य रूप से प्रत्येक क्रिस्टल अक्ष के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल की चुंबकीय संवेदनशीलता के अंतर के कारण है। बाहरी मजबूत चुंबकीय क्षेत्र की कार्रवाई के तहत, सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल टोक़ की कार्रवाई के अधीन होगा। न्यूनतम चुंबकीयकरण ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एक निश्चित कोण को घुमाकर, सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल रोटेशन ड्राइविंग ऊर्जा की अभिव्यक्ति इस प्रकार है:

जहां: V कणों का आयतन है, B लागू चुंबकीय क्षेत्र है, μ0 निर्वात में चुंबकीय पारगम्यता है, χc और χa, B क्रमशः C अक्ष और A, B अक्ष के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल की चुंबकीय संवेदनशीलता का प्रतिनिधित्व करते हैं, और | Δ χ| प्रत्येक क्रिस्टल अक्ष के साथ क्रिस्टल की चुंबकीय संवेदनशीलता अंतर का पूर्ण मूल्य है। और कणों की तापीय गति ऊर्जा u की अभिव्यक्ति है:

यू=3एनएन0kB (4)

जहाँ: n भौतिक कणों के मोलों की संख्या है, N0 अवोगाद्रो का स्थिरांक है, kB बोल्ट्ज़मैन का स्थिरांक है, और t तापमान है। जब δ e, u से अधिक होता है, तो कणों को चुंबकीय क्षेत्र द्वारा घुमाया जा सकता है। जैसे कि चित्र से देखा जा सकता है। 7, यदि सी अक्षउच्च चुंबकीय संवेदनशीलता के साथ, रॉड के आकार के कण चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर व्यवस्थित होंगे; यदि C अक्ष की चुंबकीय संवेदनशीलता कम है, तो छड़ के आकार के कण चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत संरेखित होंगे।

चित्र: 7 जाली में हेक्सागोनल रॉड के आकार के कणों की व्यवस्था पर चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव का योजनाबद्ध आरेख: (ए) χ सी > χ ए, बी; (बी) χc＜χa,बी

कमजोर चुंबकीय सिरेमिक की निर्माण प्रक्रिया में मजबूत चुंबकीय क्षेत्र को शामिल करके उन्मुख माइक्रोस्ट्रक्चर वाले नमूने तैयार किए जा सकते हैं। प्रत्येक अक्ष के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज की चुंबकीय संवेदनशीलता χ सी < χ ए, बी के रूप में, सी-अक्ष अभिविन्यास के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक एक घूर्णन क्षैतिज चुंबकीय क्षेत्र में ग्राउटिंग और अन्य तकनीकों द्वारा तैयार किया जा सकता है। तैयारी सिद्धांत चित्र 8 में दिखाया गया है।

चित्र 8 चुंबकीय क्षेत्र में क्रिस्टल अक्ष अभिविन्यास के साथ सिरेमिक की तैयारी

यांग झीगांग एट अल। 6T अनुदैर्ध्य चुंबकीय क्षेत्र में अक्ष ए या बी के साथ उन्मुख बनावट वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने के लिए पारंपरिक ग्राउटिंग मोल्डिंग के बजाय जेल इंजेक्शन मोल्डिंग का इस्तेमाल किया, और सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की बनावट पर सिंटरिंग तापमान और होल्डिंग समय के प्रभावों का अध्ययन किया। नतीजे बताते हैं कि सिंटरिंग तापमान बढ़ने से सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की बनावट को बढ़ावा मिलता है, जबकि सिंटरिंग समय बढ़ने से बनावट पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है। लियांग एट अल. पाया गया कि सिलिकॉन नाइट्राइड क्रिस्टल ग्रेन {0001} ने Z अक्ष के साथ वृद्धि के संकेत दिखाए और गर्म दबाव सिंटरिंग द्वारा सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करते समय मजबूत अभिविन्यास दिखाया। यह उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तैयारी के लिए फायदेमंद है। झू एट अल. 12T के क्षैतिज चुंबकीय क्षेत्र में ग्राउटिंग मोल्डिंग का प्रदर्शन किया, और 170w/(mk) की तापीय चालकता के साथ उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त किए। यह पाया गया है कि ग्राउटिंग प्रक्रिया के दौरान, मोल्ड एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए 5 आर/मिनट की गति से घूमता है, जो जमने की प्रक्रिया के दौरान चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत β-Si3N4 के सी-अक्ष अभिविन्यास की ओर जाता है, और सी-अक्ष अभिविन्यास गुणांक 0.98 है। चित्र 9 रॉड के आकार के सिलिकॉन नाइट्राइड के अनाज अभिविन्यास पर चुंबकीय क्षेत्र और डाई रोटेशन के प्रभाव को दर्शाता है।

चित्र: 9 रॉड के आकार के सिलिकॉन नाइट्राइड के अनाज अभिविन्यास पर चुंबकीय क्षेत्र और डाई रोटेशन का प्रभाव

वर्तमान में, बड़े पैमाने पर उत्पादन में सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज के उन्मुख विकास को महसूस करना मुश्किल है। वर्तमान में, साहित्य में बताई गई सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की उन्मुख वृद्धि प्रयोगशाला चरण तक ही सीमित है, और उचित तरीकों के माध्यम से औद्योगिक उत्पादन में सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज की उन्मुख वृद्धि को महसूस करना आवश्यक है, जिसमें उच्च तापीय तैयारी के लिए महान अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। चालकता सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक।

3 सिरेमिक सब्सट्रेट तैयार करने की प्रक्रिया

3.1 ढलाई प्रक्रिया

बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लघुकरण के कारण, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट्स के आकार और मोटाई को अधिक सटीक होना आवश्यक है। वाणिज्यिक सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट्स की मोटाई सीमा 0.3 ~ 0.6 मिमी है सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री के बड़े पैमाने पर उत्पादन का एहसास करने के लिए, एक उपयुक्त मोल्डिंग विधि चुनना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। वर्तमान में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने के लिए कई मोल्डिंग विधियां हैं, जैसे टेप कास्टिंग, हॉट प्रेसिंग, ग्राउटिंग, कोल्ड आइसोस्टैटिक प्रेसिंग आदि। हालाँकि, लघुकरण और शोधन की आवश्यकताओं को पूरा करने और एक ही समय में सिलिकॉन नाइट्राइड अनाज की दिशात्मक वृद्धि का एहसास करने के लिए, टेप कास्टिंग निस्संदेह इस लक्ष्य को प्राप्त करने की कुंजी है। चित्र 10 कास्टिंग प्रक्रिया का एक प्रवाह चार्ट है, और कास्टिंग द्वारा सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री की तैयारी नीचे वर्णित है।

चित्र 10 टेप कास्टिंग प्रक्रिया का फ्लो चार्ट

ग्रीन बॉडी के प्रदर्शन को निर्धारित करने के लिए टेप कास्टिंग का घोल सबसे महत्वपूर्ण कारक है। घोल में पाउडर, विलायक, फैलानेवाला, बाइंडर, प्लास्टिसाइज़र और अन्य योजक शामिल हैं। प्रत्येक घटक का घोल के प्रदर्शन पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, और घोल में प्रत्येक घटक एक दूसरे को भी प्रभावित करेगा। यद्यपि टेप कास्टिंग में अन्य मोल्डिंग प्रक्रियाओं की तुलना में अद्वितीय फायदे हैं, व्यवहार में, विभिन्न तनाव मुक्ति तंत्रों के कारण, टेप कास्टिंग शीट सूखने पर झुकने, टूटने, झुर्रियों, असमान मोटाई और अन्य घटनाओं का कारण बनना आसान होता है। सुखाने के बाद एक समान और स्थिर कास्टिंग घोल और चिकनी कास्टिंग शीट तैयार करने के लिए, सूत्र को अपरिवर्तित रखते हुए घोल की गीलापन, स्थिरता और खाली मोटाई जैसे कारकों पर ध्यान देना आवश्यक है।

जब सिलिकॉन नाइट्राइड कास्टिंग शीट कास्टिंग द्वारा तैयार की जाती है, ओत्सुका एट अल। और चाउ एट अल. सैद्धांतिक तरल प्रवाह मॉडल को सामने रखें, और कास्टिंग शीट की मोटाई डी और कास्टिंग मापदंडों के बीच संबंध सूत्र (5) में दिखाया गया है:

(5)

जहां: α सूखने पर गीले ब्लैंक की मोटाई के संकोचन गुणांक का प्रतिनिधित्व करता है, और घोल की चिपचिपाहट और एकरूपता का इस पर बहुत प्रभाव पड़ता है; एच और एल क्रमशः स्क्रैपर के ब्लेड गैप की ऊंचाई और लंबाई का प्रतिनिधित्व करते हैं; η घोल की चिपचिपाहट का प्रतिनिधित्व करता है; एफ हॉपर में दबाव का प्रतिनिधित्व करता है, जो आम तौर पर घोल की ऊंचाई से निर्धारित होता है; V कास्टिंग डिवाइस और सपोर्ट कैरियर की सापेक्ष गति को दर्शाता है। अल्ट्रा-थिन सिरेमिक सब्सट्रेट तैयार करने के लिए, ब्लेड गैप को ठीक से समायोजित करना और घोल की चिपचिपाहट और एकरूपता को मध्यम रखते हुए घोल के तरल स्तर को स्थिर रखना आवश्यक है।

कार्बनिक टेप कास्टिंग में, आम तौर पर, एज़ियोट्रोप का उपयोग विलायक के रूप में किया जाता है, और विघटन प्रभाव बेहतर होता है, इसलिए यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि विलायक में पाउडर कणों के लिए अच्छी अस्थिरता है, जो विलायक की सतह तनाव से संबंधित है, जो हो सकता है सूत्र (6) द्वारा समझाया गया:

  (6)

जहां θ गीलापन कोण है; γsv, γsl और γlv क्रमशः ठोस-गैस, ठोस-तरल और तरल-गैस के सतह तनाव का प्रतिनिधित्व करते हैं। सूत्र (6) से यह देखा जा सकता है कि γlv जितना छोटा होगा, θ उतना ही छोटा होगा, जो बेहतर वेटेबिलिटी को दर्शाता है। गीला करने की क्रिया चित्र 11 में दिखाई गई है।

चित्र: 11 गीला करने की क्रिया का योजनाबद्ध आरेख

कास्टिंग घोल की एकरूपता और स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए, फैलाने वाले को जोड़ना आवश्यक है, जिसका मुख्य कार्य पाउडर कणों की सतह को गीला करना आसान बनाना है, पाउडर कणों की सतह की संभावित ऊर्जा को कम करना है ताकि उन्हें फैलाना आसान हो सके, और कणों के बीच संभावित अवरोध को बढ़ाएं, जिससे घोल स्थिर और एक समान हो जाए। घोल की स्थिरता को डीएलवीओ सिद्धांत द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

UT=UA+UR(7)

कहां: यूए वैन डेर वाल्स गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा है; यूआर प्रतिकारक स्थितिज ऊर्जा है। जब यूआर यूए से अधिक होता है, तो घोल स्थिर होता है। घोल की एकरूपता और स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए, फैलाने वाले की खुराक को भी नियंत्रित किया जाना चाहिए। यदि खुराक बहुत अधिक है, तो उत्पादित कणों को बंधन में आसान होता है, जो मनके कणों को प्राप्त करने के लिए अनुकूल नहीं है; यदि खुराक बहुत छोटी है, तो इसे छोटी बूंदों में फैलाना आसान है, और मोनोमर अस्थिर है। प्रतिक्रिया की प्रगति के साथ, बिखरी हुई बूंदें भी ब्लॉकों में संघनित हो सकती हैं। डुआन एट अल. पहले कास्टिंग प्रक्रिया द्वारा एकसमान माइक्रोस्ट्रक्चर और 56.08% के सापेक्ष घनत्व के साथ एक कास्टिंग शीट तैयार की, और फिर गैस दबाव सिंटरिंग द्वारा 99% के सापेक्ष घनत्व और 58 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ एक सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त किया। झांग एट अल. टेप कास्टिंग प्रक्रिया और गैस दबाव सिंटरिंग प्रक्रिया द्वारा 81 डब्ल्यू/(एमके) की तापीय चालकता के साथ घने सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किए गए। यह पाया गया है कि उच्चतम तापीय चालकता तब प्राप्त की जा सकती है जब फैलाव (पीई), बाइंडर (पीवीबी), प्लास्टिसाइज़र/बाइंडर अनुपात और ठोस भार 1.8% (द्रव्यमान अंश), 8% (द्रव्यमान अंश), 1.2% और 33% ( आयतन अंश) क्रमशः। झांग जिंगज़िआन, एट अल। पहले टेप कास्टिंग द्वारा Si की कास्ट शीट तैयार की, और फिर डीग्रीजिंग, नाइट्राइडिंग और सिंटरिंग द्वारा 76 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किया। वर्तमान में, टेप कास्टिंग द्वारा तैयार सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता अधिक नहीं है, साहित्य में बताए गए स्तर (> 150 डब्लू/(एमके)) से बहुत कम है। यह प्रक्रिया में सुधार और प्रत्येक घटक के अनुपात को अनुकूलित करके मध्यम चिपचिपाहट और अच्छी अस्थिरता के साथ एक समान और स्थिर घोल तैयार करने की कुंजी है।

3.2 सिंटरिंग प्रक्रिया

वर्तमान में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने के लिए मुख्य सिंटरिंग विधियां गैस प्रेशर सिंटरिंग, रिएक्शन सिंटरिंग, री-सिंटरिंग, स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग, हॉट प्रेसिंग सिंटरिंग आदि हैं। प्रत्येक विधि के अपने फायदे और नुकसान हैं। यहां कुछ सामान्य सिंटरिंग विधियों का संक्षेप में सारांश दिया गया है।

गैस प्रेशर सिंटरिंग (जीपीएस) दबाव और हीटिंग द्वारा नाइट्रोजन वातावरण में सिलिकॉन नाइट्राइड को तेजी से सघन कर सकता है, α→β क्रिस्टल फॉर्म के तेजी से परिवर्तन को बढ़ावा दे सकता है, और सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार करने में मदद कर सकता है। ली, आदि उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक कच्चे माल के रूप में α-Si3N4 के साथ दो-चरण गैस दबाव सिंटरिंग विधि द्वारा तैयार किए गए थे। सबसे पहले, मिश्रित पाउडर को 1500 एमपीए के नाइट्रोजन दबाव में 1℃ तक गर्म किया गया और फिर 1900 घंटे के लिए 12℃ पर सिंटर किया गया। दो-चरणीय गैस दबाव सिंटरिंग प्रतिक्रिया के माध्यम से, α→β-Si3N4 के क्रिस्टल परिवर्तन को काफी बढ़ावा दिया गया, और सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता 128W/(mk) तक पहुंच गई। किम एट अल. गैस दबाव सिंटरिंग विधि द्वारा 1900 एमपीए के नाइट्रोजन वातावरण में 0.9℃ तक गर्म किया गया, और तापमान को 6 घंटे तक बनाए रखा गया। अंत में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तापीय चालकता 78.8 W/(mk) थी। ली एट अल. 120 W/(mk) की तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को सिंटरिंग सहायता के रूप में Y2Si4N6C-MgO के साथ गैस दबाव सिंटरिंग विधि द्वारा तैयार किया गया था।

प्लाज्मा सिंटरिंग (एसपीएस) प्रक्रिया एक प्रकार की नमूना सिंटरिंग विधि है जो दबाव क्षेत्र, तापमान क्षेत्र और विद्युत क्षेत्र की संयुक्त क्रिया का एहसास कराती है। इसमें तेज ताप दर, कम सिंटरिंग तापमान और कम सिंटरिंग समय के फायदे हैं। यांग एट अल. सिंटरिंग एडिटिव के रूप में एमजीएफ3-वाई4ओ76 के साथ एसपीएस प्रक्रिया द्वारा 857.6 डब्ल्यू/(एमके) की तापीय चालकता, 14.9 एमपीए की झुकने की ताकत, 7.7 जीपीए की कठोरता और 1 एमपीए एम 2/2 की फ्रैक्चर कठोरता के साथ सी2एन3 सिरेमिक तैयार किया। प्रयोग से पता चलता है कि लागू विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के कारण, कणों को फिसलना आसान होता है, जो कणों की पुनर्व्यवस्था के लिए अनुकूल है, इस प्रकार बड़े दाने वाले कण प्राप्त होते हैं, और Si3N4 को कम तापमान पर उच्च घनत्व प्राप्त होता है।

हू एट अल. MgF3-Y4O82.5 और MgO- के साथ एसपीएस प्रक्रिया द्वारा 911 w/(mk) की तापीय चालकता, (47±8.47) MPa की झुकने की ताकत और (0.31±1) MPa·m2/2/2 की फ्रैक्चर कठोरता के साथ Si2N3 सिरेमिक सामग्री तैयार की गई। सिंटरिंग एडिटिव्स के रूप में Y2O3। एसपीएस प्रक्रिया उपर्युक्त समस्या को भी हल कर सकती है कि कच्चे माल के रूप में β-Si3N4 के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को सिंटर करना मुश्किल है। पेंग मेंगमेंग एट अल। एसपीएस प्रक्रिया द्वारा 1600 मिनट के लिए 5℃ पर सिंटर किया गया, फिर 1900 घंटे के लिए 3℃ पर रखा गया, और 105 W/(mk) तक की उच्च तापीय चालकता के साथ घने सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक प्राप्त किया गया। लियू एट अल. प्रारंभिक सामग्री के रूप में β-Si99N3 /α-Si4N3 पाउडर के विभिन्न अनुपात के साथ एसपीएस और ताप उपचार प्रक्रिया द्वारा 4% तक घनत्व के साथ उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को सफलतापूर्वक तैयार किया गया।

रिएक्टिव री-सिंटरिंग (एसआरबीएसएन) शोधकर्ताओं द्वारा पसंद किया जाता है क्योंकि छिद्रपूर्ण Si3N4 सिंटर बॉडी को नाइट्राइडिंग सी पाउडर द्वारा प्राप्त किया जाता है, और फिर घने सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक बनाने के लिए सिंटर किया जाता है, जिसमें वाणिज्यिक α-Si3N4 से तैयार सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की तुलना में कम ऑक्सीजन सामग्री होती है। . झोउ एट अल. SRBSN प्रक्रिया द्वारा 3 W/(mk) तक की उच्च तापीय चालकता के साथ Si4N177 सिरेमिक तैयार किया। नतीजे बताते हैं कि सिंटरिंग समय को बढ़ाकर और जाली ऑक्सीजन सामग्री को और कम करके उच्च तापीय चालकता प्राप्त की जा सकती है। इसके अलावा, उन्होंने उच्च तापीय चालकता वाले Si3N4 सिरेमिक के फ्रैक्चर व्यवहार का भी अध्ययन किया, और पाया कि इसमें उच्च फ्रैक्चर क्रूरता (11.2 MPa m1/2) थी। झोउ एट अल. एसआरबीएसएन प्रक्रिया द्वारा Y3O4 और MgO के साथ एडिटिव्स के रूप में Si2N3 सिरेमिक तैयार किया गया। यह पाया गया है कि Y2O3 -MgO एडिटिव की सामग्री और सिंटरिंग समय Si3N4 की तापीय चालकता को प्रभावित करेगा। जब योगात्मक सामग्री 2%Y2O3 -4%MgO है, तो 3 घंटे के लिए सिंटरिंग के बाद Si4N156 सिरेमिक की तापीय चालकता 24 w/(mk) है, जो Si21N3 सिरेमिक (4 w/(mk)) की तुलना में 128% अधिक है। 6 घंटे तक सिंटरिंग के बाद। 3 W/(mk) तक की उच्च तापीय चालकता वाले Li Si4N121 सिरेमिक को सिंटरिंग सहायता के रूप में Y2O3-MgO के साथ SRBSN प्रक्रिया द्वारा तैयार किया गया था।

उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक को अन्य सिंटरिंग विधियों द्वारा भी तैयार किया जा सकता है। जिया एट अल. अल्ट्रा-हाई प्रेशर सिंटरिंग द्वारा 64.6 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किया गया। डुआन एट अल. सिंटरिंग एडिटिव के रूप में 60% TiO1780 -MgO के साथ 10 ℃ पर कम तापमान दबाव रहित सिंटरिंग द्वारा 2 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किया गया। ली एट अल. हॉट प्रेसिंग सिंटरिंग प्रक्रिया द्वारा 101.5 W/(mk) की तापीय चालकता के साथ सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किया गया।

उपरोक्त शोध के अनुसार, हालांकि सिंटरिंग विधियां अलग हैं, उत्कृष्ट गुणों वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार किए जा सकते हैं। सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के बड़े पैमाने पर उत्पादन को साकार करने के लिए, लागत, संचालन कठिनाई और उत्पादन चक्र जैसे कारकों पर विचार करने की आवश्यकता है, इसलिए तेज़, सरल और कम लागत वाली सिंटरिंग प्रक्रिया ढूंढना महत्वपूर्ण है।

4टैग

Si3N4 सिरेमिक अपनी संभावित उच्च तापीय चालकता और उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों के कारण उच्च-शक्ति अर्धचालक उपकरणों के क्षेत्र में अधिक से अधिक लोकप्रिय है, और यह इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए पसंदीदा सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री बनने की उम्मीद है। हालाँकि, ऐसे कई कारक हैं जो इसकी तापीय चालकता को सीमित करते हैं, जैसे जाली दोष, अशुद्धता तत्व, जाली ऑक्सीजन सामग्री, अनाज का आकार, आदि, जिसके कारण सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की वास्तविक तापीय चालकता कम होती है।

अस्वीकरण: यह लेख "5G इंडस्ट्री वॉच" से पुन: प्रस्तुत किया गया है। यह लेख केवल लेखक के व्यक्तिगत विचारों का प्रतिनिधित्व करता है, सैको माइक्रो और उद्योग के विचारों का नहीं। यह केवल बौद्धिक संपदा अधिकारों की सुरक्षा का समर्थन करने के लिए पुनर्मुद्रण और साझा करने के लिए है। कृपया पुनर्मुद्रण करते समय मूल स्रोत और लेखक का उल्लेख करें। यदि कोई उल्लंघन है, तो कृपया उसे हटाने के लिए हमसे संपर्क करें।