ปัจจุบันยังคงมีช่องว่างระหว่างพื้นผิวเซรามิก Si3N4 การนำความร้อนสูงในเชิงพาณิชย์ในประเทศจีนและต่างประเทศ ดังนั้น การวิจัยและพัฒนาของแผ่นเซรามิก Si3N4 ที่มีการนำความร้อนสูงจะส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยี IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) อย่างมากในประเทศจีนอย่างแน่นอน และจะทำให้เกิดความก้าวหน้าในสาขาขั้นสูง เช่น พลังงานใหม่

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ค่าการนำความร้อนที่แท้จริงของวัสดุพื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่ยังคงมีช่องว่างขนาดใหญ่กับการนำความร้อนตามทฤษฎี ปัจจุบัน วรรณกรรมรายงานวิธีการปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ เช่น การลดปริมาณออกซิเจนในตาข่าย การส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของผลึก การตระหนักถึงการเติบโตในทิศทางของเมล็ดข้าว เป็นต้น บทความนี้อธิบายวิธีปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ และตระหนักถึงเทคโนโลยีการขึ้นรูปสำหรับการผลิตจำนวนมาก โดยมุ่งเน้นที่ความก้าวหน้าการวิจัยของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงทั้งในและต่างประเทศ

1 ผลกระทบของแลตทิซออกซิเจน

กลไกการถ่ายเทความร้อนหลักของซิลิคอนไนไตรด์คือการสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายซึ่งนำความร้อนผ่านโฟนันส์ การสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายไม่เป็นเส้นตรง และมีผลกระทบต่อการเชื่อมต่อระหว่างโครงตาข่ายบางอย่าง โฟนอนจะชนกัน ซึ่งจะลดเส้นทางอิสระของโฟนอนโดยเฉลี่ย นอกจากนี้ ข้อบกพร่อง สิ่งเจือปนทุกชนิด และส่วนต่อประสานของเกรนในคริสตัล Si3N4 จะทำให้เกิดการกระเจิงของโฟนอน ซึ่งเทียบเท่ากับการลดเส้นทางอิสระของโฟนอน ซึ่งช่วยลดการนำความร้อน รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างจุลภาคของซิลิคอนไนไตรด์

รูปที่ 3 โครงสร้างจุลภาคทั่วไปของตัวเผาซิลิคอนไนไตรด์

ผลการวิจัยพบว่าแลตติซออกซิเจนเป็นหนึ่งในข้อบกพร่องหลักที่ส่งผลต่อการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ท่ามกลางข้อบกพร่องของแลตทิซจำนวนมาก ในกระบวนการเผาผนึก ปฏิกิริยาของแข็ง-สารละลายต่อไปนี้จะเกิดขึ้นในออกซิเจน:

2ซีโอ2→ 2ซีSi + 4ON+VSi    (1)

ในปฏิกิริยานี้ ตำแหน่งว่างของซิลิคอนจะถูกสร้างขึ้น และการแทนที่อะตอมมิกจะทำให้เกิดการบิดเบือนของคริสตัล ซึ่งจะทำให้เกิดการกระเจิงของโฟนอน ซึ่งจะช่วยลดการนำความร้อนของคริสตัล Si3N4

คิตะยามะ และคณะ ศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อการนำความร้อนของคริสตัล Si3N4 อย่างเป็นระบบจากสองด้าน ได้แก่ แลตทิซออกซิเจนและเฟสขอบเขตเกรน และพบว่าขนาดของคริสตัล Si3N4 จะเปลี่ยนระดับอิทธิพลของปัจจัยข้างต้น เมื่อขนาดเกรนน้อยกว่า 1μm ความหนาของแลตทิซออกซิเจนและเฟสขอบเขตเกรนจะกลายเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการนำความร้อน เมื่อขนาดเกรนมีขนาดใหญ่กว่า 1μm แลตทิซออกซิเจนจะเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการนำความร้อน อย่างไรก็ตาม การเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงต้องใช้เม็ดคริสตัลขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเตรียมซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงโดยการลดปริมาณออกซิเจนในตาข่าย วิธีการที่มีประสิทธิภาพในการลดปริมาณออกซิเจนในโครงข่ายมีการอธิบายจากประเด็นต่างๆ ต่อไปนี้: การเลือกวัตถุดิบ การเลือกสารเอดส์ในการเผาผนึก และการลดคาร์บอนในกระบวนการเตรียมการ

1.1การเลือกวัตถุดิบ

เพื่อลดปริมาณออกซิเจนในโครงผลึกซิลิคอนไนไตรด์ จำเป็นต้องลดปริมาณออกซิเจนที่ไม่บริสุทธิ์จากผงดิบ ปัจจุบัน มีสองวิธี: วิธีหนึ่งคือการใช้ผง Si ที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำเป็นวัตถุดิบ และรับเซรามิก Si3N4 ที่มีความหนาแน่นสูงและมีค่าการนำความร้อนสูงผ่านการทำไนไตรดิ้งสองขั้นตอนและการเผาผง Si ใหม่ ร่างกายที่หนาแน่นของ Si ประกอบด้วยผง Si และตัวช่วยในการเผาผนึกจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิใกล้กับจุดหลอมเหลวของ Si (1414 ℃) ในบรรยากาศไนโตรเจน เพื่อให้ Si ถูกไนไตรด์และเปลี่ยนเป็นตัวเผาผนึก Si3N4 ที่มีรูพรุน ซึ่งถูกให้ความร้อนต่อไปเป็น อุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อเผา Si3N4 ที่มีรูพรุนให้เป็นเซรามิก Si3N4 ที่มีความหนาแน่นสูง อีกวิธีหนึ่งคือการเผาด้วยผง α-Si3N4 ที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยมีปริมาณออกซิเจนต่ำ หรือเผาโดยตรงด้วย β-Si3N4

Zhou และ Zhu จากประเทศญี่ปุ่นได้เตรียมชุดเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนมากกว่า 150 W/(mk) โดยกระบวนการ SRBSN โดยมีผง Si เป็นวัตถุดิบ สาเหตุหลักของการนำความร้อนสูงคือเมื่อเปรียบเทียบกับผง α-Si3N4 เชิงพาณิชย์ทั่วไป ผง Si หลังจากไนไตรด์จะมีปริมาณออกซิเจนและสิ่งเจือปนน้อยกว่า

ปาร์ค และคณะ ศึกษาอิทธิพลของขนาดอนุภาคของผง Si วัตถุดิบต่อค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ และพบว่าการลดขนาดอนุภาคของ Si จะทำให้ช่องซิลิคอนไนไตรด์แคบลง ซึ่งเอื้อต่อการกำจัดรูขุมขนในการเผาผนึก กระบวนการจึงได้เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ความหนาแน่นสูง ผลการวิจัยพบว่าเมื่อผง Si ลดลงเหลือ 1 ไมโครเมตร ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จะสูงถึงมากกว่า 98% อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการลดขนาดอนุภาคของวัตถุดิบโดย SRBSN พื้นผิวของวัตถุดิบจะถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย และปริมาณของแลตทิซออกซิเจนในวัตถุดิบจะเพิ่มขึ้น

กัว และคณะ ทำการทดลองเปรียบเทียบโดยใช้ผง Si และ α-Si3N4 เป็นวัตถุดิบ พบว่าผง Si3N4 ที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำ (0.36% เศษส่วนมวล) สามารถหาได้จากผงไนไตรด์ Si และเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อน 66.5 W/(mk) สามารถเตรียมได้โดยการเผาแบบไร้ความดัน ภายใต้สภาวะเดียวกัน ค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่ทำจาก α-Si3N4 จะอยู่ที่ 56.8 W/(mk) เท่านั้น

เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงสามารถเตรียมได้โดยใช้ผง α-Si3N4 ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบ ด้วนและคณะ เซรามิก α-Si3N4 ที่เตรียมด้วยความหนาแน่น การนำความร้อน ความแข็งแรงในการดัดงอ ความเหนียวของการแตกหัก และความแข็งของวิกเกอร์ส 3.20g cm-3, 60w/(mk), 668 MPa, 5.13mpa m1/2 และ 15.06 GPa ตามลำดับ คิม และคณะ เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมไว้โดยมีค่าการนำความร้อน 78.8 W/(mk) จาก α-Si3N4

หลิวซิงลี่ และคณะ เตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อน 108 W/(mk) และความต้านทานการดัดงอ 626 MPa โดยใช้ผง β-Si3N4/α-Si3N4 ในสัดส่วนที่ต่างกันเป็นวัสดุตั้งต้น ผลการศึกษาพบว่าเมื่อปริมาณผง β-Si3N4 เพิ่มขึ้น อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของเม็ดเรียงเป็นแนว β-Si3N4 จะลดลง ส่งผลให้ความหนาแน่นรวมของเมล็ดข้าวลดลง จำนวนอินทิกรัลคริสตัลแบบเรียงเป็นแนวเพิ่มขึ้นที่สอดคล้องกัน การลดลงของตามขอบเกรน ปริมาณเฟสและการเพิ่มขึ้นของการนำความร้อน

เป็ง เหม่งเม้ง และคณะ ศึกษาอิทธิพลของประเภทผง (β-Si3N4 หรือ α-Si3N4) และเวลาในการยึด SPS ที่มีต่อค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ พบว่าค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมด้วยผง β-Si3N4 นั้นสูงกว่าค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ที่เตรียมด้วยผง α-Si15N3 ด้วยกระบวนการเดียวกันถึง 4 W/(mk) ดูตารางที่ 1 สำหรับการเปรียบเทียบการนำความร้อนของวัสดุ Si3N4 ที่เตรียมจากวัตถุดิบที่แตกต่างกัน

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบการนำความร้อนของวัสดุ Si3N4 ที่เตรียมจากวัตถุดิบที่แตกต่างกัน

จากการวิจัยที่ครอบคลุมข้างต้น ตัวอย่างที่ทำจากผง Si สามารถนำความร้อนได้สูง แต่ง่ายต่อการออกซิไดซ์ในกระบวนการบด และกระบวนการทดลองนั้นน่าเบื่อและใช้เวลานาน ซึ่งไม่เอื้อต่อการผลิตทางอุตสาหกรรม . เมื่อใช้ผง α-Si3N4 ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีปริมาณออกซิเจนต่ำเป็นวัตถุดิบ จึงสามารถเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมได้เนื่องจากมีความบริสุทธิ์สูง แต่จะนำไปสู่ต้นทุนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการผลิตขนาดใหญ่ การผลิตขนาด แม้ว่า β-Si3N4 สามารถใช้แทน α-Si3N4 เป็นวัตถุดิบเพื่อให้ได้เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง แต่เม็ดรูปทรงแท่งของ β-Si3N4 จะขัดขวางการจัดเรียงเกรนใหม่ ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ที่ถูกเผามีความหนาแน่นมากขึ้น

1.2 การคัดเลือกสารช่วยการเผา

Si3N4 เป็นสารประกอบโควาเลนต์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในตัวเองเล็กน้อย และเป็นการยากที่จะสร้างโครงสร้างผลึกหนาแน่นโดยการแพร่กระจายในตัวเองระหว่างการเผาผนึก ดังนั้น สามารถรับเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงได้โดยการเพิ่มตัวช่วยการเผาผนึกที่เหมาะสมและปรับอัตราส่วนของโรคเอดส์ในการเผาให้เหมาะสม ที่อุณหภูมิสูง สารช่วยในการเผาผนึกจะทำปฏิกิริยากับ SiO2 บนพื้นผิว Si3N4 เพื่อสร้างเฟสของเหลวในที่สุดก็เกิดระยะขอบเขตของเกรน อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนของเฟสขอบเขตเกรนมีค่าเพียง 0.7 ~ 1 W/(mk) ซึ่งช่วยลดค่าการนำความร้อนของซิลิคอนไนไตรด์ได้อย่างมาก นอกจากนี้ การแนะนำสารเติมแต่งสำหรับการเผาผนึกออกไซด์บางชนิดจะส่งผลให้ปริมาณออกซิเจนในตาข่ายของ Si3N4 เพิ่มขึ้นและค่าการนำความร้อนลดลง

ในปัจจุบัน มีหลายชนิดของโรคเอดส์สำหรับเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ รวมถึงออกไซด์ของธาตุหายากต่างๆ สารประกอบแมกนีเซียม ฟลูออไรด์ และโรคเอดส์จากการเผาแบบคอมโพสิต ธาตุหายากมักใช้เพื่อดูดซับออกซิเจนจากโครงตาข่าย Si3N4 เนื่องจากมีสัมพรรคภาพออกซิเจนสูง ปัจจุบันสารช่วยเผาผนึกแบบผสมที่ใช้กันทั่วไปได้แก่ แมกนีเซียมออกไซด์ และแรร์เอิร์ธออกไซด์

เจียและคณะ เติม Y2O3-MgO ในกระบวนการเผาผนึกเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์เพื่อเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อน 64.4 W/(mk) Go ยังใช้ Y2O3-MgO เป็นตัวช่วยในการเผาผนึก และศึกษาอิทธิพลของขนาดอนุภาคของ MgO ที่ช่วยเผาผนึกต่อโครงสร้างจุลภาคและการนำความร้อนของซิลิคอนไนไตรด์ พบว่าการเติมอนุภาค MgO หยาบจะนำไปสู่การกระจายองค์ประกอบเฟสของเหลวที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างการเผาผนึก ซึ่งจะนำไปสู่การเจริญเติบโตพิเศษของเมล็ด Si3N4 รอบบริเวณที่อุดมด้วย MgO ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของสัดส่วนของปริมาณมาก เม็ด Si3N4 ในเซรามิก Si3N4 สุดท้ายและการปรับปรุงการนำความร้อน

อย่างไรก็ตาม การเติมสารเอดส์ในการเผาออกไซด์จะทำให้อะตอมของออกซิเจนเข้าไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น เพื่อที่จะลดสิ่งเจือปนของออกซิเจนในโครงตาข่ายคริสตัล จึงสามารถใช้ออกไซด์+ไม่ใช่ออกไซด์เป็นตัวช่วยในการเผาผนึกได้ ยางและคณะ เตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์การนำความร้อนสูงโดยมี MgF2-Y2O3 เป็นสารเติมแต่งในการเผาผนึก พบว่า MgF2 สามารถลดความหนืดของเฟสของเหลว เร่งการจัดเรียงอนุภาคใหม่ และทำให้ส่วนผสมของผงมีความหนาแน่นที่อุณหภูมิต่ำกว่า (1600°C) และเวลาที่สั้นลง (3 นาที) นอกจากนี้ ความหนืดของเฟสของเหลวต่ำและอัตราส่วนอะตอมของ Si/N สูงมีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟส α→β และการเติบโตของเกรนของเซรามิก Si3N4 ซึ่งจะช่วยปรับปรุงค่าการนำความร้อนของเซรามิก Si3N4

หูและคณะ ทำการทดสอบเปรียบเทียบกับ MgF2-Y2O3 และ MgO-Y2O3 ว่าเป็นเอดส์ในการเผาผนึก และสำรวจอิทธิพลของอัตราส่วนของโรคเอดส์ในการเผาผนึกต่อการนำความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับ MgO-Y2O3 ค่าการนำความร้อนของเซรามิก Si3N4 จะเพิ่มขึ้น 19% เมื่อใช้ MgF2-Y2O3 เป็นตัวช่วยในการเผาผนึก และค่าการนำความร้อนสูงสุดสามารถทำได้เมื่อปริมาณการเติมคือ 4%MgF2 -5%Y2O3

Li ใช้ Y2Si4N6C-MgO แทน Y2O3 -MgO เป็นสารเติมแต่งสำหรับการเผาผนึก ด้วยการแนะนำไนโตรเจนและส่งเสริมการกำจัดซิลิกา อัตราส่วนไนโตรเจน-ออกซิเจนสูงจึงเกิดขึ้นในระยะที่สอง ซึ่งส่งผลให้ขนาดเกรนเพิ่มขึ้น ปริมาณออกซิเจนในตาข่ายลดลง การเพิ่มความต่อเนื่องของ Si3N4 -Si3N4 และ เพิ่มการนำความร้อนของเซรามิก Si3N4 จาก 92 W/(mk) เป็น 120 W/(mk)

เพื่อที่จะปรับปรุงอัตราส่วนไนโตรเจน-ออกซิเจนในเฟสของเหลวให้ดียิ่งขึ้น และลดปริมาณออกซิเจนในตาข่าย จึงมักใช้สารที่ไม่ใช่ออกไซด์เป็นตัวเผาเอดส์ Lee ศึกษาผลกระทบของสารเติมแต่งการเผาผนึกออกไซด์และไม่ใช่ออกไซด์ต่อโครงสร้างจุลภาค การนำความร้อน และคุณสมบัติทางกลของ Si3N4 ด้วย MgSiN2 -YbF3 เป็นสารเติมแต่งในการเผาผนึก วัสดุเซรามิก Si3N4 ที่มีค่าการนำความร้อน 101.5 w/(mk) และความต้านทานการดัดงอ 822~916 MPa จึงถูกจัดเตรียมไว้ เมื่อเปรียบเทียบกับสารเติมแต่งสำหรับการเผาผนึกออกไซด์ MgSiN2 ที่ไม่ใช่ออกไซด์และฟลูออไรด์เป็นสารเติมแต่งในการเผาผนึกสามารถลดเฟสทุติยภูมิและปริมาณออกซิเจนในตาข่ายของซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งฟลูออไรด์จากธาตุหายากสามารถทำปฏิกิริยากับ SiO2 เพื่อสร้าง SiF4 และการระเหยของ SiF4 นำไปสู่การลดลง ของระยะขอบเขตของเกรนและการลดลงของเฟสขอบเขตของเกรน SiO2 จึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการปรับปรุงการนำความร้อน การเปรียบเทียบการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมด้วยโรคเอดส์การเผาที่แตกต่างกันแสดงไว้ในตารางที่ 2 และโครงสร้างจุลภาคแสดงในรูปที่ 4

ตารางที่ 2 การเปรียบเทียบการนำความร้อนของวัสดุ Si3N4 ที่เตรียมด้วยโรคเอดส์การเผาผนึกต่างๆ

รูปที่ 4 โครงสร้างจุลภาคของสารเติมแต่งออกไซด์ (a)MgO-Y2O3 และ (d)MgO-Yb2O3 สารเติมแต่งแบบผสม (b)MgSiN2 -Y2O3 และ (e)MgSiN2 -Yb2O3 สารเติมแต่งที่ไม่ใช่ออกไซด์ (c)MgSiN2 -YF3 และ (f ) มก.-ซิน2-YF3

ปัจจุบัน ธาตุหายากในกลุ่มโรคเอดส์ซินเทอร์กระแสหลักคือสารประกอบของ Y และ Yb แต่ธาตุหายากบางชนิดไม่สามารถปรับปรุงความหนาแน่นได้ กัว และคณะ ตามลำดับใช้ ZrO2 -MgO-Y2O3 และ Eu2O3 -MgO-Y2O3 เป็นตัวช่วยในการเผาผนึกเพื่อเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ พบว่าการเติม Eu2O3 -MgO-Y2O3 ไปยับยั้งความหนาแน่นของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์

จากการวิจัยข้างต้น เมื่อเปรียบเทียบกับสารช่วยเผาผนึกออกไซด์ สารช่วยเผาผนึกที่ไม่ใช่ออกไซด์สามารถให้อะตอมไนโตรเจนเพิ่มเติม เพิ่มอัตราส่วนของไนโตรเจนต่อออกซิเจน ส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของผลึก และลด SiO2 เพื่อลดปริมาณออกซิเจนในตาข่ายและเฟสขอบเขตของเกรน

1.3 การลดปริมาณคาร์บอน

โรคเอดส์การเผาผนึกดังกล่าว เช่น Y2S4N6C และ MgSiN2 ซึ่งสามารถลดปริมาณออกซิเจนในตาข่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่สามารถหาได้จากแหล่งเชิงพาณิชย์ จึงทำให้เกิดปัญหาในการผลิตขนาดใหญ่ และการบำบัดความร้อนที่อุณหภูมิสูงก็จะนำไปสู่ต้นทุนที่สูงเช่นกัน ดังนั้น จากมุมมองของการใช้งานทางอุตสาหกรรม จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการพัฒนาวิธีการเตรียมเซรามิก Si3N4 ที่มีค่าการนำความร้อนสูงที่ง่ายและราคาถูก พบว่าการเติมคาร์บอนจำนวนหนึ่งในกระบวนการเผาผนึกสามารถลดสิ่งเจือปนของออกซิเจน ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดปริมาณออกซิเจนในตาข่าย

คาร์บอนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารเติมแต่งสำหรับการเผาผนึกสำหรับเซรามิกที่ไม่ใช่ออกไซด์ และหน้าที่หลักของคาร์บอนคือการกำจัดสิ่งเจือปนออกไซด์ออกจากพื้นผิวของผงที่ไม่ใช่ออกไซด์ บนพื้นฐานนี้ นักวิจัยพบว่าการเติมคาร์บอนจำนวนเล็กน้อยสามารถลดปริมาณออกซิเจนในตาข่ายของเซรามิก AlN ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิก AlN ในทำนองเดียวกัน การนำคาร์บอนเข้าสู่เซรามิก Si3N4 ยังสามารถลดปริมาณออกซิเจนได้ เนื่องจากในกระบวนการไนไตรเดชันและหลังการเผาผนึก ปริมาณคาร์บอนที่เหมาะสมจะมีบทบาทในการลดที่ชัดเจนมาก ซึ่งสามารถลดความดันบางส่วนของ SiO ได้อย่างมาก และเพิ่มอัตราส่วนอะตอมของ N/O ของเฟสทุติยภูมิตามขอบเกรน ซึ่งทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบไบโมดัล ซึ่งได้รับอนุภาคซิลิคอนไนไตรด์ขนาดใหญ่และเรียวยาว และปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์

Li เมื่อใช้ BN/ กราไฟท์แทน BN เป็นแผ่นฐานที่เป็นผง ค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จะเพิ่มขึ้น 40.7% พบว่าค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ยังคงสูงถึง 121 W/(mk) แม้ว่าปริมาณออกซิเจนของผง Si จะสูงถึง 4.22% หลังจากการกัดลูกบอลก็ตาม สาเหตุหลักคือกราไฟท์มีความสามารถในการรีดิวซ์ได้สูง ในกระบวนการไนไตรด์ มันสามารถส่งเสริมการกำจัด SiO2 เปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของเฟสทุติยภูมิ และส่งเสริมการกำจัดเฟสทุติยภูมิ SiO2 และ Y2Si3O3N4 ในกระบวนการเผาผนึก จึงทำให้ผลิตภัณฑ์ผลิตเมล็ดที่มีลักษณะคล้ายแท่งขนาดใหญ่ขึ้น ลดปริมาณออกซิเจนขัดแตะและปรับปรุงความต่อเนื่องของ Si3N4 -Si3N4 ผลการวิจัยพบว่าแม้ว่าคาร์บอนบางส่วนจะถูกเจือ แต่ความต้านทานของซิลิคอนไนไตรด์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แต่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีอัตราส่วนการสูญเสียมวลสูง (25.8%) ซึ่งทำให้ต้นทุนการสูญเสียวัตถุดิบเพิ่มขึ้น

หลี่และคณะ พบว่ากราไฟท์ที่มากเกินไปจะทำปฏิกิริยากับ Si3N4 บนพื้นผิว ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่นำไปสู่อัตราการสูญเสียมวลสูงของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ดังนั้น พวกเขาจึงปรับปรุงกระบวนการเตรียมการ นำวิธีการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สสองขั้นตอน มาใช้ และใช้ส่วนผสมผงคาร์บอน 5% (เศษโมล) ที่เจือด้วย 93%α-Si3N4 -2%Yb2O3 -5%MgO เป็นวัตถุดิบสำหรับการเผาผนึก การทดลอง. ผลการวิจัยพบว่าค่าการนำความร้อนของเซรามิก Si3N4 เพิ่มขึ้นจาก 102 W/(mk) เป็น 128 W/(mk) 25.5% ด้วยการเติมคาร์บอน ในกระบวนการเผาผนึกครั้งแรก กระบวนการลดความร้อนจากคาร์โบไฮเดรตจะลดปริมาณออกซิเจนลงอย่างมาก และเพิ่มอัตราส่วน N/O ของเฟสทุติยภูมิตามขอบแกรนูล ในตัวอย่าง Si3N4 กึ่งสำเร็จรูป มีเฟสรองของ Y2Si4O7N2 ปรากฏขึ้น ปริมาณของ β-Si3N4 นั้นสูงกว่า และเม็ด β-Si3N4 ที่มีรูปร่างเป็นแท่งมีขนาดใหญ่กว่า ในกระบวนการเผาผนึกครั้งที่สอง ระยะที่สอง Y2Si4O7N2 จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้าง YbSi3N5 ซึ่งจะช่วยลดปริมาณออกซิเจนในตาข่ายได้อย่างมาก ส่งผลให้ได้เม็ดรูปทรงแท่งที่หยาบขึ้นและอินเทอร์เฟซ Si3N4 -Si3N4 ที่แน่นขึ้น ซึ่งช่วยปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิก Si3N4 ได้อย่างมีนัยสำคัญ ภาพ SEM ของ Si3N4 ที่เตรียมไว้จะแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ภาพไมโครกราฟ SEM ของพื้นผิวขัดเงาและพื้นผิวแกะสลักด้วยพลาสมาของตัวอย่างเซรามิก Si3N4 สุดท้าย: (a) รูปภาพพลังงานต่ำของ a)SN และ (b)SNC; ภาพกำลังสูงของ (c)SN และ (d)SNC

การเติมคาร์บอนลงในเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการลดปริมาณออกซิเจนในตาข่าย วิธีนี้มีความต้องการปริมาณออกซิเจนในวัตถุดิบและสารเอดส์ในการเผาผนึกต่ำ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องคาดว่าจะนำไปใช้ในการผลิตภาคอุตสาหกรรม

การแปลงคริสตัล 2 แบบและการวางแนวแกนคริสตัล

2.1 อิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงของผลึกต่อการนำความร้อนและวิธีการปรับปรุง

ค่าการนำความร้อนของ β-Si3N4 นั้นสูงกว่าค่าการนำความร้อนของ α-Si3N4 เนื่องจากมีโครงสร้างที่สมมาตรมากกว่า ในกระบวนการเผาเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่อุณหภูมิสูง เฟสอุณหภูมิต่ำ α-Si3N4 ของวัตถุดิบจะถูกเปลี่ยนเป็นเฟสอุณหภูมิสูง β-Si3N4 ผ่านกลไกการตกตะกอน-การละลาย แต่การเปลี่ยนประเภทคริสตัลไม่ใช่ เสร็จสมบูรณ์ในกระบวนการเผาผนึก และ α-Si3N4 ที่ยังไม่เปลี่ยนรูปจะส่งผลอย่างมากต่อการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ เพื่อส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของผลึกและได้รับอัตราส่วน β/(α+β) ที่สูงขึ้น วิธีการที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันคือ: (1) การเปลี่ยนแปลงระบบการเผาผนึก เช่น การเพิ่มอุณหภูมิการเผาผนึก การยืดเวลาการเผาผนึกและความร้อนที่ตามมา การรักษา; (2) เม็ดคริสตัลรูปแท่ง β-Si3N4 ในปริมาณที่เหมาะสมจะถูกเติมลงใน α-Si3N4 เป็นผลึกเมล็ด รูปที่ 6 แสดงการกระจายตัวของโครงสร้างจุลภาคแบบ bimodal ของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์หลังจากการเติมเมล็ด

รูปที่ 6 การกระจายโครงสร้างจุลภาคแบบสองโหมดของเซรามิก β-Si3N4 หลังจากเติมผลึกเมล็ด

โจวและคณะ สำรวจผลกระทบของเวลาในการเผาผนึกที่แตกต่างกันต่อการนำความร้อน ความแข็งแรงในการดัดงอ และความเหนียวแตกหักของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ จะเห็นได้จากตารางที่ 3 ว่าค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามระยะเวลาการเผาผนึกที่นานขึ้น สาเหตุหลักมาจากการเติบโตอย่างต่อเนื่องของเมล็ดผลึก การเพิ่มขึ้นของปริมาณ β-Si3N4 และการลดลงของปริมาณออกซิเจนในตาข่ายด้วยกระบวนการละลายและการตกตะกอน ตงเหวินซิน และคณะ ศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิการเผาผนึกต่อค่าการนำความร้อนของ Si3N4 และพบว่าตัวอย่างที่ถูกเผาที่อุณหภูมิ 1600°C มีทั้งเฟส α และ β หลังจากที่อุณหภูมิการเผาผนึกเพิ่มขึ้นเป็น 1700°C และ 1800°C จะมีเพียงเฟส β เท่านั้นที่อยู่ในตัวอย่าง เมื่ออุณหภูมิการเผาผนึกเพิ่มขึ้น ค่าการนำความร้อนของตัวอย่างจะเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจเกิดจากการเพิ่มขนาดเกรน ปริมาณของเหลวที่ลดลง และการก่อตัวของ "แคปซูลแก้ว" ที่เป็นอิสระในเฟสของเหลวที่ขอบของขอบเขตเกรนหลายชั้น .

ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ Si3N4 ณ เวลาการเผาผนึกที่ต่างกัน

จู้และคณะ พบว่าการเพิ่ม β-Si3N4 เป็นผลึกเมล็ดในระหว่างการเผาผนึกจะได้เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีระดับความหนาแน่นและการนำความร้อนสูงกว่า เพื่อส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของผลึกเพิ่มเติมและได้รับเม็ดซิลิคอนไนไตรด์ขนาดใหญ่ สามารถใช้ β-Si3N4 แทน α-Si3N4 เป็นผงตั้งต้นเพื่อเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง Liang Zhenhua ฯลฯ ได้เพิ่มอนุภาค β-Si1N3 รูปทรงแท่ง 4% (เศษส่วนมวล) เป็นผลึกเมล็ด และค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์สูงถึง 158 W/(mk) หลิวซิงลี่ และคณะ สำรวจอิทธิพลของสัดส่วนที่แตกต่างกันของ β-Si3N4/α-Si3N4 ต่อการนำความร้อนและคุณสมบัติเชิงกลของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ผลการวิจัยพบว่าเมื่อวัตถุดิบทั้งหมดเป็น β-Si3N4 ค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จะสูงที่สุด โดยสูงถึง 108 W/(mk) แต่ความแข็งแรงในการดัดงอก็ลดลงเช่นกัน

จากการวิจัยข้างต้น การเพิ่มอุณหภูมิการเผาผนึกและการยืดเวลาการเผาผนึกให้นานขึ้นสามารถส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของผลึกได้ในระดับหนึ่ง การเพิ่มผลึกเมล็ด β-Si3N4 ในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของผลึกจะสามารถเพิ่มอัตราส่วน β/(α+β) ได้ในระยะเวลาอันสั้น ทำให้เม็ดคริสตัลเติบโตเต็มที่มากขึ้น และได้รับเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง

2.2 อิทธิพลของการวางแนวคริสตัลต่อการนำความร้อนและวิธีการปรับปรุง

เนื่องจากอัตราการเติบโตของแกน C สูงกว่าแกน A การเจริญเติบโตแบบแอนไอโซโทรปิกจึงนำไปสู่รูปร่างแท่งของ β-Si3N4 และแอนไอโซโทรปีของคุณสมบัติทางกายภาพของมัน ค่าการนำความร้อนของเมล็ดซิลิคอนไนไตรด์เป็นแบบแอนไอโซโทรปิก ค่าการนำความร้อนตามทฤษฎีของผลึกเดี่ยว β-Si3N4 ตามแกน A และแกน C คือ 170 W/(mk) และ 450 W/(mk) ตามลำดับ ดังนั้นจึงสามารถนำวิธีการที่เหมาะสมมาใช้ในกระบวนการขึ้นรูปเพื่อให้ทราบถึงการจัดเรียงทิศทางและส่งเสริมการเติบโตในทิศทางของเมล็ดซิลิคอนไนไตรด์ ปัจจุบัน วิธีการปั้นที่ทำให้เมล็ดพืชเติบโตในทิศทางต่างๆ ได้แก่ การขึ้นรูปแบบเทป การขึ้นรูปแบบกดร้อน และการขึ้นรูปแบบยาแนว

ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก คริสตัลซิลิคอนไนไตรด์มีความแตกต่างในการเติบโตอย่างเห็นได้ชัดตามแกนคริสตัลแต่ละแกน สาเหตุหลักมาจากความแตกต่างของความไวต่อแม่เหล็กของคริสตัลซิลิคอนไนไตรด์ตามแกนคริสตัลแต่ละแกน ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กเสริมความแข็งแกร่งภายนอก คริสตัลซิลิคอนไนไตรด์จะต้องได้รับการกระทำของแรงบิด โดยการหมุนมุมหนึ่งเพื่อให้มีพลังงานแม่เหล็กน้อยที่สุด การแสดงออกของพลังงานขับเคลื่อนการหมุนของคริสตัลซิลิคอนไนไตรด์จะเป็นดังนี้:

โดยที่: V คือปริมาตรของอนุภาค B คือสนามแม่เหล็กที่ใช้ μ0 คือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กในสุญญากาศ χc และ χa B แสดงถึงความไวต่อแม่เหล็กของผลึกซิลิคอนไนไตรด์ตามแนวแกน C และแกน A, B ตามลำดับ และ | Δ χ| คือค่าสัมบูรณ์ของความแตกต่างของความไวต่อแม่เหล็กของคริสตัลตามแกนคริสตัลแต่ละอัน และการแสดงออกของพลังงานความร้อน u ของอนุภาคคือ:

U=3nN0kB (4)

โดยที่ n คือจำนวนโมลของอนุภาควัสดุ N0 คือค่าคงที่ของ Avogadro kB คือค่าคงที่ของ Boltzmann และ t คืออุณหภูมิ เมื่อ δ e มากกว่า u อนุภาคสามารถหมุนได้ด้วยสนามแม่เหล็ก ดังที่เห็นได้จากรูป 7 ถ้าเป็นแกน cด้วยความไวต่อแม่เหล็กสูง อนุภาครูปแท่งจะถูกจัดเรียงขนานกับสนามแม่เหล็ก หากความไวต่อแม่เหล็กของแกน C ต่ำ อนุภาครูปแท่งจะอยู่ในแนวตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก

รูปที่ 7 แผนผังแสดงอิทธิพลของสนามแม่เหล็กต่อการจัดเรียงอนุภาครูปทรงแท่งหกเหลี่ยมในโครงตาข่าย: (a) χ c > χ a, b; (ข) χc＜χa,ข

ตัวอย่างที่มีโครงสร้างจุลภาคเชิงสามารถเตรียมได้โดยการนำสนามแม่เหล็กแรงสูงมาใช้ในกระบวนการขึ้นรูปเซรามิกแม่เหล็กอ่อน เนื่องจากความไวต่อแม่เหล็ก χ c < χ a, b ของเม็ดซิลิคอนไนไตรด์ตามแต่ละแกน เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีการวางแนวแกน C สามารถเตรียมได้โดยการอัดฉีดและเทคนิคอื่น ๆ ในสนามแม่เหล็กแนวนอนที่หมุนได้ หลักการเตรียมการดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 8 การเตรียมเซรามิกด้วยการวางแนวแกนคริสตัลในสนามแม่เหล็ก

หยางจื้อกัง และคณะ ใช้การฉีดขึ้นรูปด้วยเจลแทนการขึ้นรูปแบบยาแนวแบบดั้งเดิมเพื่อเตรียมเซรามิกที่มีพื้นผิวซิลิคอนไนไตรด์โดยวางตัวตามแนวแกน A หรือ B ในสนามแม่เหล็กตามยาว 6T และศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิการเผาผนึกและเวลาในการยึดเกาะกับพื้นผิวของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ผลการวิจัยพบว่าอุณหภูมิการเผาผนึกที่เพิ่มขึ้นช่วยส่งเสริมพื้นผิวของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ในขณะที่การยืดเวลาการเผาผนึกออกไปจะส่งผลต่อพื้นผิวเพียงเล็กน้อย เหลียงและคณะ พบว่าเม็ดผลึกซิลิคอนไนไตรด์ {0001} มีสัญญาณการเติบโตตามแกน Z และมีทิศทางที่ชัดเจนเมื่อเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์โดยการเผาผนึกแบบกดร้อน สิ่งนี้เป็นประโยชน์ต่อการเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง จู้และคณะ ทำการขึ้นรูปแบบยาแนวในสนามแม่เหล็กแนวนอน 12T และได้รับเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงโดยมีค่าการนำความร้อน 170w/(mk) พบว่าในระหว่างกระบวนการอัดฉีด แม่พิมพ์หมุนด้วยความเร็ว 5 รอบ/นาที เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กหมุน ซึ่งนำไปสู่การวางแนวแกน C ของ β-Si3N4 ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กในระหว่างกระบวนการแข็งตัว และ ค่าสัมประสิทธิ์การวางแนวแกน C คือ 0.98 รูปที่ 9 แสดงอิทธิพลของสนามแม่เหล็กและการหมุนของดายต่อการวางแนวเกรนของซิลิคอนไนไตรด์ที่มีรูปทรงแท่ง

รูปที่ 9 ผลของสนามแม่เหล็กและการหมุนของดายต่อการวางแนวเกรนของซิลิคอนไนไตรด์รูปทรงแท่ง

ในปัจจุบัน เป็นการยากที่จะตระหนักถึงการเติบโตเชิงมุ่งเน้นของเมล็ดซิลิคอนไนไตรด์ในการผลิตขนาดใหญ่ ในปัจจุบัน การเติบโตเชิงมุ่งเน้นของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่รายงานในวรรณคดีนั้นจำกัดอยู่ที่ขั้นตอนห้องปฏิบัติการ และจำเป็นต้องตระหนักถึงการเติบโตเชิงมุ่งเน้นของเมล็ดซิลิคอนไนไตรด์ในการผลิตภาคอุตสาหกรรมด้วยวิธีการที่เหมาะสม ซึ่งมีโอกาสประยุกต์ที่ดีในการเตรียมความร้อนสูง เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์การนำไฟฟ้า

3 ขั้นตอนการเตรียมพื้นผิวเซรามิก

3.1 กระบวนการขึ้นรูป

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดเล็กลง ขนาดและความหนาของพื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จึงจำเป็นต้องมีความแม่นยำมากขึ้น ช่วงความหนาของพื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์เชิงพาณิชย์คือ 0.3~0.6 มม เพื่อให้เกิดการผลิตวัสดุซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ในปริมาณมาก การเลือกวิธีการขึ้นรูปที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ปัจจุบันมีวิธีการขึ้นรูปหลายวิธีในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ เช่น การหล่อเทป การอัดร้อน การอัดฉีด การอัดไอโซสแตติกเย็น เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของการย่อขนาดและการปรับแต่ง และตระหนักถึงการเติบโตในทิศทางของเมล็ดซิลิคอนไนไตรด์ในเวลาเดียวกัน การหล่อเทปจึงเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุเป้าหมายนี้อย่างไม่ต้องสงสัย รูปที่ 10 เป็นแผนภูมิการไหลของกระบวนการหล่อ และการเตรียมวัสดุซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์โดยการหล่อมีอธิบายไว้ด้านล่าง

รูปที่ 10 ผังงานกระบวนการหล่อเทป

สารละลายของการหล่อเทปเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการพิจารณาประสิทธิภาพของตัวเครื่องสีเขียว สารละลายประกอบด้วยผง ตัวทำละลาย สารช่วยกระจายตัว สารยึดเกาะ พลาสติไซเซอร์ และสารเติมแต่งอื่นๆ แต่ละส่วนประกอบมีอิทธิพลสำคัญต่อประสิทธิภาพของสารละลาย และแต่ละส่วนประกอบในสารละลายก็จะมีอิทธิพลซึ่งกันและกันเช่นกัน แม้ว่าการหล่อเทปจะมีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครเมื่อเทียบกับกระบวนการขึ้นรูปอื่นๆ แต่ในทางปฏิบัติ เนื่องจากกลไกการปลดปล่อยความเครียดที่แตกต่างกัน จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดการโค้งงอ แตกร้าว ย่น ความหนาไม่สม่ำเสมอ และปรากฏการณ์อื่น ๆ เมื่อแผ่นหล่อเทปแห้ง เพื่อเตรียมสารละลายหล่อที่สม่ำเสมอและมีเสถียรภาพและแผ่นหล่อที่เรียบหลังจากการอบแห้ง จำเป็นต้องคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ เช่น ความสามารถในการเปียกของสารละลาย ความเสถียร และความหนาว่างเปล่า โดยที่ยังคงรักษาสูตรไว้ไม่เปลี่ยนแปลง

เมื่อเตรียมแผ่นหล่อซิลิกอนไนไตรด์โดยการหล่อ Otsuka และคณะ และ Chou และคณะ หยิบยกแบบจำลองการไหลของของเหลวตามทฤษฎี และความสัมพันธ์ระหว่างความหนาของแผ่นหล่อ D และพารามิเตอร์การหล่อจะแสดงในสูตร (5):

(5)

โดยที่: α แสดงถึงค่าสัมประสิทธิ์การหดตัวของความหนาของช่องว่างเปียกเมื่อแห้ง และความหนืดและความสม่ำเสมอของสารละลายมีอิทธิพลอย่างมากต่อมัน H และ l แสดงถึงความสูงและความยาวของช่องว่างใบมีดของเครื่องขูดตามลำดับ η แสดงถึงความหนืดของสารละลาย F แสดงถึงความดันในถัง ซึ่งโดยทั่วไปจะพิจารณาจากความสูงของสารละลาย V แสดงถึงความเร็วสัมพัทธ์ของอุปกรณ์แคสต์และพาหะรองรับ เพื่อเตรียมพื้นผิวเซรามิกบางเฉียบ จำเป็นต้องปรับช่องว่างของใบมีดอย่างเหมาะสม และรักษาระดับของเหลวของสารละลายให้คงที่ ในขณะเดียวกันก็รักษาความหนืดและความสม่ำเสมอของสารละลายให้อยู่ในระดับปานกลาง

ในการหล่อเทปอินทรีย์โดยทั่วไปจะใช้ azeotrope เป็นตัวทำละลายและผลการละลายจะดีกว่า ดังนั้นจึงจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าตัวทำละลายมีความสามารถในการเปียกชื้นกับอนุภาคผงได้ดี ซึ่งสัมพันธ์กับแรงตึงผิวของตัวทำละลาย ซึ่งสามารถเป็นได้ อธิบายด้วยสูตร (6):

  (6)

โดยที่ θ คือมุมเปียก γsv, γsl และ γlv แสดงถึงแรงตึงผิวของของแข็ง-ก๊าซ ของแข็ง-ของเหลว และก๊าซเหลว ตามลำดับ จากสูตร (6) จะเห็นได้ว่ายิ่ง γlv น้อย θ ยิ่งน้อย บ่งชี้ความสามารถในการเปียกน้ำได้ดีกว่า การดำเนินการทำให้เปียกแสดงในรูปที่ 11

รูปที่ 11 แผนผังการกระทำของการเปียก

เพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอและความเสถียรของสารละลายหล่อ จำเป็นต้องเพิ่มสารช่วยกระจายตัว ซึ่งหน้าที่หลักคือการทำให้พื้นผิวของอนุภาคผงเปียกได้ง่าย ลดพลังงานศักย์พื้นผิวของอนุภาคผงเพื่อให้กระจายตัวได้ง่ายขึ้น และ เพิ่มอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นระหว่างอนุภาค จึงทำให้สารละลายมีความเสถียรและสม่ำเสมอ ความคงตัวของสารละลายสามารถอธิบายได้โดยทฤษฎี DLVO:

UT=UA+UR(7)

โดยที่: UA คือพลังงานศักย์โน้มถ่วงของ Van der Waals UR คือพลังงานศักย์ที่น่ารังเกียจ เมื่อ UR มากกว่า UA สารละลายจะคงตัว เพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอและความเสถียรของสารละลาย ควรควบคุมปริมาณของสารช่วยกระจายตัวด้วย ถ้าปริมาณมากเกินไป อนุภาคที่ผลิตจะติดกันได้ง่าย ซึ่งไม่เอื้อต่อการได้รับอนุภาคลูกปัด ถ้าขนาดยาน้อยเกินไป ก็จะกระจายตัวเป็นหยดเล็กๆ ได้ง่าย และโมโนเมอร์ก็ไม่เสถียร เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไป หยดที่กระจัดกระจายอาจควบแน่นเป็นก้อน ด้วนและคณะ ขั้นแรกให้เตรียมแผ่นหล่อที่มีโครงสร้างจุลภาคสม่ำเสมอและมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 56.08% โดยกระบวนการหล่อ จากนั้นจึงได้เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 99% และค่าการนำความร้อน 58 W/(mk) โดยการเผาด้วยแรงดันแก๊ส จางและคณะ เตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์หนาแน่นที่มีค่าการนำความร้อน 81 W/(mk) โดยกระบวนการหล่อด้วยเทปและกระบวนการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊ส พบว่าค่าการนำความร้อนสูงสุดสามารถรับได้เมื่อสารช่วยกระจายตัว (PE) สารยึดเกาะ (PVB) อัตราส่วนพลาสติไซเซอร์/สารยึดเกาะ และภาระของแข็งอยู่ที่ 1.8% (เศษส่วนมวล) 8% (เศษส่วนมวล) 1.2% และ 33% ( เศษส่วนปริมาตร) ตามลำดับ จางจิงเซียน และคณะ ขั้นแรกให้เตรียมแผ่นหล่อของ Si โดยการหล่อด้วยเทป จากนั้นจึงเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อน 76 W/(mk) โดยการล้างไขมัน ไนไตรด์ และการเผาผนึก ปัจจุบัน ค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมโดยการหล่อด้วยเทปไม่สูง ซึ่งต่ำกว่าระดับที่รายงานในเอกสารวิจัยมาก (> 150 W/(mk)) เป็นกุญแจสำคัญในการเตรียมสารละลายที่สม่ำเสมอและเสถียร โดยมีความหนืดปานกลางและมีความสามารถในการเปียกน้ำได้ดี โดยการปรับปรุงกระบวนการและปรับอัตราส่วนของส่วนประกอบแต่ละส่วนให้เหมาะสม

3.2 กระบวนการเผาผนึก

ปัจจุบันวิธีการเผาหลักในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์คือการเผาด้วยแรงดันแก๊ส การเผาปฏิกิริยา การเผาอีกครั้ง การเผาด้วยพลาสมาประกายไฟ การเผาผนึกแบบกดร้อน ฯลฯ แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียในตัวเอง ต่อไปนี้เป็นวิธีการเผาผนึกทั่วไปโดยสรุปโดยย่อ

การเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊ส (GPS) สามารถเพิ่มความหนาแน่นของซิลิคอนไนไตรด์ในบรรยากาศไนโตรเจนได้อย่างรวดเร็วโดยการเพิ่มแรงดันและให้ความร้อน ส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของรูปแบบผลึก α→β และช่วยปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ Li ฯลฯ เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงถูกเตรียมโดยวิธีการเผาผนึกด้วยความดันก๊าซสองขั้นตอนโดยใช้ α-Si3N4 เป็นวัตถุดิบ ขั้นแรก ผงผสมถูกให้ความร้อนถึง 1500°C ภายใต้ความดันไนโตรเจน 1 MPa จากนั้นเผาที่ 1900°C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ด้วยปฏิกิริยาการเผาผนึกด้วยความดันก๊าซสองขั้นตอน การเปลี่ยนแปลงของผลึกของ α→β-Si3N4 ได้รับการส่งเสริมอย่างมาก และค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์สูงถึง 128W/(mk) คิม และคณะ ให้ความร้อนถึง 1900°C ในบรรยากาศไนโตรเจน 0.9 MPa โดยวิธีเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊ส และเก็บอุณหภูมิไว้ 6 ชั่วโมง สุดท้าย ค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์คือ 78.8 W/(mk) หลี่และคณะ เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อน 120 W/(mk) เตรียมโดยวิธีการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สโดยใช้ Y2Si4N6C-MgO เป็นตัวช่วยในการเผา

กระบวนการเผาผนึกด้วยพลาสมา (SPS) เป็นวิธีการเผาผนึกตัวอย่างชนิดหนึ่ง ซึ่งตระหนักถึงการกระทำร่วมกันของสนามความดัน สนามอุณหภูมิ และสนามไฟฟ้า มีข้อดีคืออัตราการทำความร้อนที่รวดเร็ว อุณหภูมิการเผาผนึกต่ำ และเวลาในการเผาผนึกสั้น ยางและคณะ เซรามิก Si3N4 ที่เตรียมมีค่าการนำความร้อน 76 w/(mk) ความต้านทานการดัดงอ 857.6 MPa ความแข็ง 14.9 GPa และความเหนียวแตกหัก 7.7 MPa m 1/2 โดยกระบวนการ SPS โดยมี MgF2-Y2O3 เป็นสารเติมแต่งในการเผาผนึก การทดลองแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากการกระทำของสนามไฟฟ้าที่ใช้ อนุภาคจึงเลื่อนได้ง่าย ซึ่งเอื้อต่อการจัดเรียงอนุภาคใหม่ จึงได้อนุภาคที่มีเม็ดขนาดใหญ่ และทำให้ Si3N4 มีความหนาแน่นสูงขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง

หูและคณะ วัสดุเซรามิก Si3N4 ที่เตรียมไว้มีค่าการนำความร้อน 82.5 w/(mk) ความต้านทานการดัดงอ (911±47) MPa และความเหนียวแตกหัก (8.47±0.31) MPa·m1/2/2 โดยกระบวนการ SPS ด้วย MgF2-Y2O3 และ MgO- Y2O3 เป็นสารเติมแต่งการเผาผนึก กระบวนการ SPS ยังสามารถแก้ปัญหาที่กล่าวมาข้างต้นซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะเผาเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มี β-Si3N4 เป็นวัตถุดิบ เป็ง เหม่งเม้ง และคณะ เผาที่ 1600°C เป็นเวลา 5 นาทีโดยกระบวนการ SPS จากนั้นเก็บไว้ที่ 1900°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมง และได้รับเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งมีการนำความร้อนสูงถึง 105 W/(mk) หลิวและคณะ ประสบความสำเร็จในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์การนำความร้อนสูงที่มีความหนาแน่นสูงถึง 99% โดย SPS และกระบวนการบำบัดความร้อนด้วยสัดส่วนผง β-Si3N4 /α-Si3N4 ที่แตกต่างกันเป็นวัสดุเริ่มต้น

การเผาผนึกซ้ำเชิงปฏิกิริยา (SRBSN) เป็นที่ชื่นชอบของนักวิจัย เนื่องจากตัวเผาผนึก Si3N4 ที่มีรูพรุนนั้นได้มาจากผงไนไตรด์ Si จากนั้นจึงนำไปเผาจนเกิดเป็นเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งมีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่าเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมจาก α-Si3N4 เชิงพาณิชย์ . โจวและคณะ เซรามิก Si3N4 ที่เตรียมโดยมีค่าการนำความร้อนสูงถึง 177 W/(mk) โดยกระบวนการ SRBSN ผลการวิจัยพบว่าการนำความร้อนสูงขึ้นได้โดยการยืดเวลาการเผาผนึกและลดปริมาณออกซิเจนในโครงตาข่ายลงอีก นอกจากนี้ พวกเขายังศึกษาพฤติกรรมการแตกหักของเซรามิก Si3N4 ที่มีค่าการนำความร้อนสูง และพบว่ามีความเหนียวแตกหักสูง (11.2 MPa m1/2) โจวและคณะ เตรียมเซรามิก Si3N4 โดยกระบวนการ SRBSN โดยมี Y2O3 และ MgO เป็นสารเติมแต่ง พบว่าปริมาณสารเติมแต่ง Y2O3 -MgO และเวลาในการเผาผนึกจะส่งผลต่อค่าการนำความร้อนของ Si3N4 เมื่อปริมาณสารเติมแต่งอยู่ที่ 2%Y2O3 -4%MgO ค่าการนำความร้อนของเซรามิก Si3N4 จะอยู่ที่ 156 w/(mk) หลังจากการเผาผนึกเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ซึ่งสูงกว่าค่าการนำความร้อนของเซรามิก Si21N3 (4 w/(mk)) 128% หลังจากการเผาผนึกเป็นเวลา 6 ชั่วโมง เซรามิก Li Si3N4 ที่มีค่าการนำความร้อนสูงถึง 121 W/(mk) ถูกเตรียมโดยกระบวนการ SRBSN โดยมี Y2O3-MgO เป็นตัวช่วยในการเผาผนึก

เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงสามารถเตรียมได้โดยวิธีการเผาผนึกอื่นๆ เจียและคณะ เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมโดยมีค่าการนำความร้อน 64.6 W/(mk) โดยการเผาผนึกแรงดันสูงพิเศษ ด้วนและคณะ เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมโดยมีค่าการนำความร้อน 60 W/(mk) โดยการเผาผนึกไร้แรงดันที่อุณหภูมิต่ำที่ 1780°C โดยมี TiO10 -MgO 2% เป็นสารเติมแต่งในการเผาผนึก ลีและคณะ เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เตรียมโดยมีค่าการนำความร้อน 101.5 W/(mk) โดยกระบวนการเผาผนึกแบบกดร้อน

จากการวิจัยข้างต้น แม้ว่าวิธีการเผาผนึกจะแตกต่างกัน แต่ก็สามารถเตรียมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยมได้ เพื่อให้ตระหนักถึงการผลิตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ในปริมาณมาก จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ต้นทุน ความยากในการดำเนินงาน และวงจรการผลิต ดังนั้นจึงเป็นกุญแจสำคัญในการค้นหากระบวนการเผาผนึกที่รวดเร็ว ง่ายดาย และต้นทุนต่ำ

4แท็ก

เซรามิก Si3N4 ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง เนื่องจากมีศักยภาพในการนำความร้อนสูงและมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม และคาดว่าจะกลายเป็นวัสดุพื้นผิวเซรามิกที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม มีปัจจัยหลายประการที่จำกัดการนำความร้อน เช่น ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย องค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ ปริมาณออกซิเจนของตาข่าย ขนาดเกรน ฯลฯ ซึ่งทำให้ค่าการนำความร้อนตามจริงของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ต่ำ

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: บทความนี้ทำซ้ำจาก "5G Industry Watch" บทความนี้นำเสนอเฉพาะมุมมองส่วนตัวของผู้เขียน ไม่ใช่มุมมองของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม มีไว้สำหรับการพิมพ์ซ้ำและแบ่งปันเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก