A cerâmica de nitreto de silício (Si₃N₄), como cerâmica estrutural avançada, possui excelentes propriedades, como resistência a altas temperaturas, alta resistência, alta tenacidade, alta dureza, resistência à fluência, resistência à oxidação e resistência ao desgaste. Além disso, eles oferecem boa resistência ao choque térmico, propriedades dielétricas, alta condutividade térmica e excelente desempenho de transmissão de ondas eletromagnéticas de alta frequência. Essas excelentes propriedades abrangentes os tornam amplamente utilizados em componentes estruturais complexos, especialmente na indústria aeroespacial e em outros campos de alta tecnologia.
No entanto, o Si₃N4, sendo um composto com fortes ligações covalentes, possui uma estrutura estável que torna difícil a sinterização em alta densidade apenas através da difusão no estado sólido. Para promover a sinterização, auxiliares de sinterização, como óxidos metálicos (MgO, CaO, Al₂O₃) e óxidos de terras raras (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), são adicionados para facilitar a densificação por meio de um mecanismo de sinterização em fase líquida.
Atualmente, a tecnologia global de dispositivos semicondutores está avançando em direção a tensões mais altas, correntes maiores e maiores densidades de potência. A pesquisa sobre métodos para fabricar cerâmicas de Si₃N₄ é extensa. Este artigo apresenta processos de sinterização que melhoram efetivamente a densidade e as propriedades mecânicas abrangentes da cerâmica de nitreto de silício.
Métodos comuns de sinterização para cerâmica Si₃N₄
Comparação de desempenho para cerâmicas Si₃N₄ preparadas por diferentes métodos de sinterização
1. Sinterização Reativa (RS):A sinterização reativa foi o primeiro método utilizado para preparar industrialmente cerâmicas de Si₃N₄. É simples, econômico e capaz de formar formas complexas. No entanto, tem um ciclo de produção longo, o que não favorece a produção em escala industrial.
2. Sinterização sem pressão (PLS):Este é o processo de sinterização mais básico e simples. No entanto, requer matérias-primas de Si₃N₄ de alta qualidade e muitas vezes resulta em cerâmicas com menor densidade, encolhimento significativo e tendência a rachar ou deformar.
3. Sinterização por prensagem a quente (HP):A aplicação de pressão mecânica uniaxial aumenta a força motriz para a sinterização, permitindo a produção de cerâmicas densas a temperaturas 100-200°C inferiores às utilizadas na sinterização sem pressão. Este método é normalmente usado para fabricar cerâmicas em forma de bloco relativamente simples, mas é difícil atender aos requisitos de espessura e formato dos materiais de substrato.
4. Sinterização por Plasma de Faísca (SPS):O SPS é caracterizado por sinterização rápida, refinamento de grãos e temperaturas de sinterização reduzidas. Porém, o SPS requer investimentos significativos em equipamentos, e a preparação de cerâmicas de Si₃N₄ de alta condutividade térmica via SPS ainda está em fase experimental e ainda não foi industrializada.
5. Sinterização por Pressão de Gás (GPS):Ao aplicar pressão de gás, este método inibe a decomposição da cerâmica e a perda de peso em altas temperaturas. É mais fácil produzir cerâmica de alta densidade e permite a produção em lote. No entanto, um processo de sinterização sob pressão de gás de etapa única tem dificuldade em produzir componentes estruturais com cor e estrutura interna e externa uniformes. O uso de um processo de sinterização em duas ou múltiplas etapas pode reduzir significativamente o conteúdo de oxigênio intergranular, melhorar a condutividade térmica e melhorar as propriedades gerais.
No entanto, a alta temperatura de sinterização de pressão de gás em duas etapas levou pesquisas anteriores a se concentrarem principalmente na preparação de substratos cerâmicos de Si₃N₄ com alta condutividade térmica e resistência à flexão à temperatura ambiente. A pesquisa sobre cerâmicas Si₃N₄ com propriedades mecânicas abrangentes e propriedades mecânicas de alta temperatura é relativamente limitada.
Método de sinterização em duas etapas com pressão de gás para Si₃N₄
Yang Zhou e colegas da Universidade de Tecnologia de Chongqing usaram um sistema auxiliar de sinterização de 5% em peso de Yb₂O₃ + 5% em peso de Al₂O₃ para preparar cerâmica de Si₃N₄ usando processos de sinterização de pressão de gás de uma e duas etapas a 1800°C. A cerâmica Si₃N₄ produzida pelo processo de sinterização em duas etapas apresentou maior densidade e melhores propriedades mecânicas abrangentes. O seguinte resume os efeitos dos processos de sinterização sob pressão de gás de uma e duas etapas na microestrutura e nas propriedades mecânicas dos componentes cerâmicos de Si₃N₄.
Densidade O processo de densificação do Si₃N₄ normalmente envolve três estágios, com sobreposição entre os estágios. O primeiro estágio, rearranjo de partículas, e o segundo estágio, dissolução-precipitação, são os estágios mais críticos para a densificação. O tempo de reação suficiente nestas etapas melhora significativamente a densidade da amostra. Quando a temperatura de pré-sinterização para o processo de sinterização em duas etapas é ajustada para 1600°C, os grãos β-Si₃N₄ formam uma estrutura e criam poros fechados. Após a pré-sinterização, o aquecimento adicional sob alta temperatura e pressão de nitrogênio promove o fluxo e o enchimento da fase líquida, o que ajuda a eliminar os poros fechados, melhorando ainda mais a densidade da cerâmica Si₃N₄. Portanto, as amostras produzidas pelo processo de sinterização em duas etapas apresentam maior densidade e densidade relativa do que aquelas produzidas pela sinterização em uma etapa.
Fase e Microestrutura Durante a sinterização em uma etapa, o tempo disponível para o rearranjo das partículas e a difusão dos limites dos grãos é limitado. No processo de sinterização em duas etapas, a primeira etapa é conduzida em baixa temperatura e baixa pressão do gás, o que prolonga o tempo de rearranjo das partículas e resulta em grãos maiores. A temperatura é então aumentada para o estágio de alta temperatura, onde os grãos continuam a crescer através do processo de amadurecimento de Ostwald, produzindo cerâmica de Si₃N₄ de alta densidade.
Propriedades Mecânicas O amolecimento da fase intergranular em altas temperaturas é a principal razão para a redução da resistência. Na sinterização em uma etapa, o crescimento anormal dos grãos cria pequenos poros entre os grãos, o que impede uma melhoria significativa na resistência a altas temperaturas. No entanto, no processo de sinterização em duas etapas, a fase vítrea, uniformemente distribuída nos limites dos grãos, e os grãos de tamanho uniforme aumentam a resistência intergranular, resultando em maior resistência à flexão em altas temperaturas.
Concluindo, a retenção prolongada durante a sinterização em uma etapa pode efetivamente reduzir a porosidade interna e obter cor e estrutura internas uniformes, mas pode levar ao crescimento anormal dos grãos, o que degrada certas propriedades mecânicas. Ao empregar um processo de sinterização em duas etapas - usando pré-sinterização em baixa temperatura para estender o tempo de rearranjo de partículas e retenção em alta temperatura para promover crescimento uniforme de grãos - uma cerâmica de Si₃N₄ com densidade relativa de 98,25%, microestrutura uniforme e excelentes propriedades mecânicas abrangentes pode ser preparado com sucesso.
| Nome | Substrato | Composição da camada epitaxial | Processo epitaxial | Meio epitaxial |
| Silício homoepitaxial | Si | Si | Epitaxia em fase de vapor (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silício heteroepitaxial | Safira ou espinélio | Si | Epitaxia em fase de vapor (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia em fase de vapor (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia por Feixe Molecular (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaxia em Fase Líquida (LPE) Fase de Vapor (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | Brecha | GaP(GaP;N) | Epitaxia em Fase Líquida (LPE) Epitaxia em Fase Líquida (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superrede | GaAs | GaAlAs/GaAs (ciclo) | Epitaxia por Feixe Molecular (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | Epitaxia em fase de vapor (VPE) Epitaxia em Fase Líquida (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitaxia Si/GaAs | Si | GaAs | Epitaxia por Feixe Molecular (MBE) MOGVD | Ga、As GaR₃+AsH₃+H₂ |
Horário da postagem: 24 de dezembro de 2024