Las cerámicas de nitruro de silicio (Si₃N₄), como cerámicas estructurales avanzadas, poseen excelentes propiedades como resistencia a altas temperaturas, alta resistencia, alta tenacidad, alta dureza, resistencia a la fluencia, resistencia a la oxidación y resistencia al desgaste. Además, ofrecen buena resistencia al choque térmico, propiedades dieléctricas, alta conductividad térmica y excelente rendimiento de transmisión de ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Estas excelentes propiedades integrales los hacen ampliamente utilizados en componentes estructurales complejos, especialmente en el sector aeroespacial y otros campos de alta tecnología.
Sin embargo, el Si₃N₄, al ser un compuesto con fuertes enlaces covalentes, tiene una estructura estable que dificulta la sinterización a alta densidad mediante difusión en estado sólido únicamente. Para promover la sinterización, se añaden auxiliares de sinterización, como óxidos metálicos (MgO, CaO, Al₂O₃) y óxidos de tierras raras (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), para facilitar la densificación a través de un mecanismo de sinterización en fase líquida.
Actualmente, la tecnología global de dispositivos semiconductores está avanzando hacia voltajes más altos, corrientes más grandes y densidades de potencia más altas. La investigación sobre métodos para fabricar cerámicas de Si₃N₄ es extensa. Este artículo presenta los procesos de sinterización que mejoran eficazmente la densidad y las propiedades mecánicas integrales de las cerámicas de nitruro de silicio.
Métodos comunes de sinterización para cerámicas de Si₃N₄
Comparación del rendimiento de cerámicas de Si₃N₄ preparadas mediante diferentes métodos de sinterización
1. Sinterización reactiva (RS):La sinterización reactiva fue el primer método utilizado para preparar industrialmente cerámicas de Si₃N₄. Es simple, rentable y capaz de formar formas complejas. Sin embargo, tiene un ciclo de producción largo, lo que no favorece la producción a escala industrial.
2. Sinterización sin presión (PLS):Este es el proceso de sinterización más básico y sencillo. Sin embargo, requiere materias primas de Si₃N₄ de alta calidad y, a menudo, da como resultado cerámicas con menor densidad, una contracción significativa y una tendencia a agrietarse o deformarse.
3. Sinterización por prensa caliente (HP):La aplicación de presión mecánica uniaxial aumenta la fuerza impulsora para la sinterización, lo que permite producir cerámicas densas a temperaturas entre 100 y 200 °C inferiores a las utilizadas en la sinterización sin presión. Este método se utiliza normalmente para fabricar cerámicas en forma de bloques relativamente simples, pero es difícil cumplir con los requisitos de espesor y forma de los materiales de sustrato.
4. Sinterización por plasma por chispa (SPS):SPS se caracteriza por una sinterización rápida, un refinamiento del grano y temperaturas de sinterización reducidas. Sin embargo, el SPS requiere una inversión significativa en equipos, y la preparación de cerámicas de Si₃N₄ de alta conductividad térmica mediante SPS aún se encuentra en la etapa experimental y aún no se ha industrializado.
5. Sinterización a presión de gas (GPS):Al aplicar presión de gas, este método inhibe la descomposición de la cerámica y la pérdida de peso a altas temperaturas. Es más fácil producir cerámicas de alta densidad y permite la producción por lotes. Sin embargo, un proceso de sinterización de gas a presión en un solo paso tiene dificultades para producir componentes estructurales con un color y una estructura internos y externos uniformes. El uso de un proceso de sinterización de dos o varios pasos puede reducir significativamente el contenido de oxígeno intergranular, mejorar la conductividad térmica y mejorar las propiedades generales.
Sin embargo, la alta temperatura de sinterización de la sinterización de gas a presión en dos pasos ha llevado a investigaciones anteriores a centrarse principalmente en la preparación de sustratos cerámicos de Si₃N₄ con alta conductividad térmica y resistencia a la flexión a temperatura ambiente. La investigación sobre cerámicas de Si₃N₄ con propiedades mecánicas integrales y propiedades mecánicas de alta temperatura es relativamente limitada.
Método de sinterización de dos pasos con presión de gas para Si₃N₄
Yang Zhou y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Chongqing utilizaron un sistema auxiliar de sinterización de 5 % en peso de Yb₂O₃ + 5 % en peso de Al₂O₃ para preparar cerámicas de Si₃N₄ mediante procesos de sinterización a presión de gas de uno y dos pasos a 1800 °C. Las cerámicas de Si₃N₄ producidas mediante el proceso de sinterización de dos pasos tenían mayor densidad y mejores propiedades mecánicas integrales. A continuación se resumen los efectos de los procesos de sinterización a presión de gas de uno y dos pasos sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de los componentes cerámicos de Si₃N₄.
Densidad El proceso de densificación de Si₃N₄ normalmente implica tres etapas, con superposición entre las etapas. La primera etapa, reordenamiento de partículas, y la segunda etapa, disolución-precipitación, son las etapas más críticas para la densificación. Un tiempo de reacción suficiente en estas etapas mejora significativamente la densidad de la muestra. Cuando la temperatura previa a la sinterización para el proceso de sinterización de dos pasos se establece en 1600 °C, los granos de β-Si₃N₄ forman una estructura y crean poros cerrados. Después de la sinterización previa, el calentamiento adicional a alta temperatura y presión de nitrógeno promueve el flujo y el llenado en fase líquida, lo que ayuda a eliminar los poros cerrados y mejora aún más la densidad de las cerámicas de Si₃N₄. Por lo tanto, las muestras producidas por el proceso de sinterización de dos pasos muestran una mayor densidad y densidad relativa que las producidas por la sinterización de un solo paso.
Fase y microestructura Durante la sinterización en un solo paso, el tiempo disponible para la reorganización de las partículas y la difusión de los límites de grano es limitado. En el proceso de sinterización de dos pasos, el primer paso se realiza a baja temperatura y baja presión de gas, lo que prolonga el tiempo de reordenamiento de las partículas y da como resultado granos más grandes. Luego, la temperatura se aumenta hasta la etapa de alta temperatura, donde los granos continúan creciendo durante el proceso de maduración de Ostwald, produciendo cerámicas de Si₃N₄ de alta densidad.
Propiedades mecánicas El ablandamiento de la fase intergranular a altas temperaturas es la razón principal de la resistencia reducida. En la sinterización en un solo paso, el crecimiento anormal de los granos crea pequeños poros entre los granos, lo que impide una mejora significativa en la resistencia a altas temperaturas. Sin embargo, en el proceso de sinterización de dos pasos, la fase vítrea, distribuida uniformemente en los límites de los granos, y los granos de tamaño uniforme mejoran la resistencia intergranular, lo que resulta en una mayor resistencia a la flexión a alta temperatura.
En conclusión, una retención prolongada durante la sinterización en un solo paso puede reducir eficazmente la porosidad interna y lograr un color y una estructura internos uniformes, pero puede provocar un crecimiento anormal del grano, lo que degrada ciertas propiedades mecánicas. Mediante el empleo de un proceso de sinterización de dos pasos (usando presinterización a baja temperatura para extender el tiempo de reordenamiento de las partículas y mantenimiento a alta temperatura para promover el crecimiento uniforme del grano), se obtiene una cerámica de Si₃N₄ con una densidad relativa del 98,25 %, una microestructura uniforme y excelentes propiedades mecánicas integrales. puede prepararse con éxito.
| Nombre | sustrato | Composición de la capa epitaxial. | proceso epitaxial | Medio epitaxial |
| Homeepitaxial de silicio | Si | Si | Epitaxia en fase de vapor (VPE) | SiCl4+H2 |
| heteroepitaxial de silicio | Zafiro o espinela | Si | Epitaxia en fase de vapor (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia en fase de vapor (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaxia de haz molecular (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaxia en fase líquida (LPE) Fase de vapor (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+Ceniza3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | Brecha | Brecha(brecha;N) | Epitaxia en fase líquida (LPE) Epitaxia en fase líquida (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH23 |
| Superred | GaAs | GaAlAs/GaAs (ciclo) | Epitaxia de haz molecular (MBE) MOCVD | Ca, como, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | entrada | entrada | Epitaxia en fase de vapor (VPE) Epitaxia en fase líquida (LPE) | PCl3+En+H2 En+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitaxia Si/GaAs | Si | GaAs | Epitaxia de haz molecular (MBE) MOGVD | ga, como GaR₃+AsH₃+H₂ |
Hora de publicación: 24 de diciembre de 2024