لماذا سيليكون نيتريد سيراميك مناسب لتحمل؟

مع تطوير تصنيع الآلات نحو ورقة السيراميك ألومينا ، فإن النطاق العالي للسرعة ، أصبح نطاق تطبيق المحامل أوسع وأوسع ، وأصبحت متطلبات أداء المحامل أعلى وأعلى. خاصة في بعض بيئات العمل الخاصة ، لا يمكن أن تلبي محامل المعادن الاحتياجات ، أو حتى العمل تمامًا. أصبحت المواد الخزفية مواد مثالية للمحامل الدقيقة للتصنيع عالي السرعة بسبب انخفاض كثافة ومعامل مرونة عالية ، ومعامل تمدد خطي صغير ، ومقاومة التآكل ، ومقاومة درجة الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل وغيرها من الخصائص الممتازة.
1. مزايا وخصائص سيراميك نيتريد السيليكون
على الرغم من أن نيتريد السيليكون ليس هو الأصعب والأصعب في السيراميك الصناعي ، إلا أنه يعتبر أفضل الخصائص الميكانيكية والفيزيائية في تطبيقات الحمل التي تتطلب أداءً عالياً. الآن دعونا نلقي نظرة على مزايا نيتريد السيليكون مقارنة بمواد تحمل أخرى.
مقارنة الأداء لخمس مواد بار من ألومينا السيراميك
مقاوم للحرارة
بشكل عام ، عندما تتجاوز درجة حرارة خدمة محامل الصلب 120 ℃ ، ستنخفض الصلابة والحياة المتداول. نيتريد السيليكون له خصائص درجة حرارة جيدة ، وخاصة مناسبة لبيئة درجة الحرارة العالية.
قوة الطرد المركزي
تبلغ كثافة نيتريد السيليكون حوالي 3.24 × 103 كجم/م 3 ، في حين أن كثافة الصلب تحمل حوالي 7.8 × 103 كجم/م 3 ، وهو ما يقرب من 40 ٪ فقط من كثافة الحامل الصلب ، لذلك عندما يستخدم عنصر المتداول المحمل ، يمكن للمحمل أن يقيد زيادة حمل عنصر المتداول الناجم عن قوة الطرد المركزي عند الدوران بسرعة عالية.
معامل التمدد الطولي
يبلغ معامل التوسع الخطي لنيتريد السيليكون حوالي 1/4 من معامل تحمل الصلب ، وبالتالي فإن تغير الحجم مع درجة الحرارة صغيرة ، لذلك من المفيد استخدامه في البيئة مع تغير درجة الحرارة الكبيرة.
الصلابة ، معامل المرونة ، نسبة بواسون
نظرًا لأن المعامل المرن لنيتريد السيليكون يبلغ حوالي 1.5 ضعفًا من تحمل الصلب ، فإن التشوه المرن للحمل النسبي صغير وتصلب الحمل النسبي مرتفع.
مقاومة التآكل ، غير مغناطيسية ، عزل
عند استخدام محامل الصلب للآلات المستخدمة في معدات الآلات الكيميائية ، والطعام ، والبحرية وغيرها من الأقسام ، فإن التآكل يمثل مشكلة. في بيئة مغناطيسية قوية ، عند استخدام محامل الصلب ، يتم امتصاص المسحوق الناعم الذي يرتديه من المحمل نفسه بين عنصر المتداول وسطح التدحرج ، والذي سيصبح السبب الرئيسي لتأثير الأضرار المبكرة وزيادة الضوضاء.
2. تحضير محمل السيراميك نيتريد السيليكون
عملية إعداد نيتريد سيليكون السيراميك السيرامينا المحمل
تحضير مسحوق السيراميك نيتريد السيليكون
يجب أن يكون لمسحوق نيتريد السيليكون لأجزاء المحمل الخصائص المهمة التالية: نقاء عالية ؛ جزيئات موحدة للغاية وذات. α محتوى المرحلة العالية. الطريقة الأكثر ملاءمة لإعداد مسحوق نيتريد السيليكون هي طريقة نترويد تقليل الكربوثرى ، مع صيغة التفاعل لـ 3SiO2+6C+2N2 = SI3N4+6CO. يحتوي المسحوق التي تم الحصول عليها من هذه الطريقة على شوائب معدنية أقل ، ونقاء عالية وجزيئات دقيقة ، ومحتوى طور عالي α ، وتلبية متطلبات المواد الخاصة بالأجزاء.
تشكيل الأجزاء ذات الصلة بالسيليكون النيتريد الأجزاء ذات الصلة
هناك العديد من أساليب التحضير لسيليكون نيتريد السيراميك ذات الصلة ، مثل تلبيد التفاعل ، وتلبيسة الضغط الساخنة ، وتلبيد التفاعل الثانوي. من أجل الحصول على مادة نيتريد السيليكون كثيفة تمامًا ، تعد طريقة الضغط المتساوية الساخنة مثالية.
تصنيع الأجزاء ذات الصلة بالسيليكون نيتريد الأجزاء ذات الصلة
تشبه تصنيع الأجزاء ذات الصلة من السيراميك النيتريد السيليكون بشكل أساسي تلك التي تحمل أجزاء الصلب ، وآلية الطحن هي نفسها بشكل أساسي. ومع ذلك ، نظرًا للاختلافات الكبيرة بين خصائص نيتريد السيليكون والفولاذ ، هناك اختلافات كبيرة في أدوات الطحن ، وعوامل المعالجة ، ومخاليط الطحن ، وما إلى ذلك في المعالجة الميكانيكية ، ومتطلبات السيراميك الزركونيا لكل عملية لحجم الجسيمات ، النوع والشكل والكمية والقوة وخصائص السحق وخصائص التآكل وما إلى ذلك من الكاشطة مختلفة. في الوقت الحاضر ، تشمل الكاتبة المستخدمة بشكل أساسي كربيد السيليكون ، كربيد البورون ، مسحوق الماس ، إلخ.
تجميع محمل سيراميك نيتريد السيليكون
بشكل عام ، تتكون المحامل المتداولة من أربعة أجزاء رئيسية ، وهي الحلقة الخارجية ، الحلقة الداخلية ، العنصر المتداول والقفص. نظرًا لوجود عشر فئات من المحامل المتداولة ، فإن أنواع المحامل المختلفة تتبنى أشكالًا مختلفة من القفص ، وبالتالي فإن طرق تجميع المحامل مختلفة أيضًا.
إن محمل السيراميك السيليكون ، باعتباره مكونًا أساسيًا ميكانيكيًا مهمًا ، يقود الطريق في عالم المواد الجديد بسبب خصائصه الممتازة التي لا يمكن أن تتطابق معها المحامل الأخرى. في السنوات الأخيرة ، في مجالات الفضاء ، الملاحة ، الصناعة النووية ، النفط ، صناعة الكيمياء ، صناعة النسيج الخفيفة ، الآلات ، المعادن ، الطاقة الكهربائية ، الطعام ، القاطرة ، المترو ، الأدوات الآلية عالية السرعة ، البحوث العلمية ، الدفاع والتكنولوجيا العسكرية ، وما إلى ذلك ، يتم التعرف على محامل السيراميك السيليكونية بشكل متزايد كبدائل لا غنى عنها في ظل ظروف عمل خاصة مثل درجة الحرارة العالية ، والسرعة العالية ، والبرودة العميقة ، والمتناسقة ، والتفجر ، والتآكل القوي ، والفراغ ، والعزل الكهربائي ، والاحتكاك غير المغنطيسي ، وما إلى ذلك ، إلخ.
خصائص الركيزة السيراميك النيتريد السيليكون:
مع تصغير المعدات الإلكترونية عالية الأداء ومكوناتها ، أصبح تبديد الحرارة عاملًا رئيسيًا يؤثر على الأداء والموثوقية. نظرًا لأن التدفق الحراري العالي سيؤدي إلى تدهور الأداء وعملية العمر ، بين تقنيات تبديد الحرارة المختلفة ، فإن نظام المبرد هو أجزاء من الزركونيا السيراميك مفيدة ومريحة لتصغيرها ، لأنه يمكن أن يصبح جزءًا من نظام التغليف الإلكتروني الدقيق.
LED الركيزة الخزفية
كما نعلم جميعًا ، فإن الحرارة المتولدة أثناء تشغيل أجهزة أشباه الموصلات هي العامل الرئيسي الذي يسبب فشل أجهزة أشباه الموصلات ، والموصلية الحرارية للركيزة العازلة الكهربائية هي مفتاح تبديد الحرارة لأجهزة أشباه الموصلات بأكملها. يتكون المبرد من طبقة دائرة معدنية وركيزة من السيراميك ، مثل نيتريد الألومنيوم ، نيتريد السيليكون ، كربيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم. من بين هذه الركائز الخزفية ، يعتبر نيتريد السيليكون واعداً بسبب الموصلية الحرارية الممتازة (60-90W/MK) ، القوة الميكانيكية العالية (650-850 ميجا باسكال) ومعامل التمدد المنخفض. في الواقع ، يتم إيداع الركيزة السيراميك السيليكون عادة على الركيزة من خلال الترابط المباشر للنحاس (DBC) وعمليات الطلاء النحاسي المباشر (DPC). يحقق DBC التصاق المحسّن عن طريق التشابك الميكانيكي بين الفيلم المعدني المودع عند درجة الحرارة العالية والركيزة ، بينما يحقق DPC التصاق المعزز من خلال تكوين طبقة البذور عن طريق ترسب الفراغ.
بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للبيئة الميكانيكية المعقدة مثل الاضطراب والاهتزاز ، هناك حاجة أيضًا إلى مواد الركيزة بموثوقية ميكانيكية معينة. الركيزة السيراميك السيليكونية المتوازنة نسبيًا في جميع الجوانب وهي المادة السيرامية الهيكلية ذات أفضل أداء شامل. لذلك ، فإن نيتريد السيليكون لديه قدرة تنافسية قوية في مجال تصنيع ركائز السيراميك للأجهزة الإلكترونية.
ركيزة السيراميك نيتريد الألومنيوم
في الماضي ، كانت ركائز الدوائر هي مواد مستوية تتكون من مكونات منفصلة أو دوائر متكاملة ومكونات منفصلة لتلبية المتطلبات الوظيفية للدائرة الكلية. يتطلب فقط العزل الكهربائي والتوصيل. بعد إدخال عصر المعلومات الذكية ، يتعين على المعدات الإلكترونية للطاقة أن تكون قادرة على تحويل الطاقة الكهربائية والتحكم فيها ، مما يحسن إلى حد كبير متطلبات أداء التحكم الكهربائية وتحويل الطاقة في المعدات وكذلك استهلاك الطاقة. وفقًا لذلك ، لم يعد بإمكان الركيزة الشائعة تلبية المتطلبات العالية لتقليل المقاومة الحرارية لأجهزة الطاقة المعقدة ، والتحكم في درجة حرارة العمل وضمان الموثوقية ، ويجب استبدال الركيزة السيراميك ذات الأداء الأفضل.
وفقًا لمتطلبات الأداء للأجهزة الإلكترونية على الركيزة الخزفية ، يجب أن يكون للمواد الركيزة الخصائص التالية:
1. عزل جيد ومقاومة شفة السيراميك الكهربائية ؛
2. الموصلية الحرارية العالية: تؤثر الموصلية الحرارية بشكل مباشر على ظروف العمل وعمر خدمة أشباه الموصلات. سيزيد حقل درجة الحرارة غير المتكافئ الناجم عن تبديد الحرارة الضعيف بشكل كبير من ضوضاء الأجهزة الإلكترونية ؛
3. يتطابق معامل التمدد الحراري مع مواد أخرى المستخدمة في الحزمة ؛
4. خصائص التردد العالية ، انخفاض ثابت العزل الكهربائي ، فقدان عازلة منخفضة ؛
5. السطح ناعم والسمك موحد ، وهو مريح لطباعة الدائرة على سطح الركيزة ويضمن سماكة موحدة للدائرة المطبوعة ؛
الركيزة الخزفية
في الوقت الحاضر ، فإن مواد الركيزة الخزفية الأكثر استخدامًا هي بشكل أساسي أكسيد الألومنيوم ونيتريد الألومنيوم. كيف يقارن نيتريد السيليكون مع أدائه؟ يوضح الجدول التالي أن مواد الركيزة الخزفية الثلاثة لها مزايا واضحة ، وخاصة مقاومة درجات الحرارة العالية لمواد الركيزة السيليكون السيليكون في ظل ظروف درجات الحرارة العالية ، والختام الكيميائي للمعادن ، والصلابة الفائقة ، وصباقة الكسر والخصائص الميكانيكية الأخرى.
نظرًا لأن نيتريد السيليكون ممتاز للغاية ، فلماذا لا يزال يستخدم في السوق؟ أين هي فرصة التنمية؟
في الواقع ، كل من المواد الثلاثة لها مزاياها وعيوبها. على سبيل المثال ، على الرغم من أن الموصلية الحرارية لأكسيد الألومنيوم ضعيف ولا يمكنه مواكبة اتجاه تطوير أشباه الموصلات عالي الطاقة ، فإن عملية التصنيع الخاصة بها ناضجة والتكلفة منخفضة ، لذلك لا يزال هناك طلب كبير في الحقل المنخفض . الموصلية الحرارية لنيتريد الألومنيوم أفضل مطابقة مع مواد أشباه الموصلات. يمكن استخدامه في الصناعات الراقية ، لكن أدائها الميكانيكي ضعيف ، مما يؤثر على حياة أجهزة أشباه الموصلات ، وتكلفة استخدامها عالية. نيتريد السيليكون هو الأفضل في الأداء الشامل ، ولكن عتبة الدخول عالية.
في الوقت الحالي ، تدرس العديد من معاهد البحوث العلمية المحلية والمؤسسات ، لكن التكنولوجيا صعبة ، وتكلفة الإنتاج مرتفعة ، والسوق صغيرة ، ولم يظهر تطبيق واسع النطاق بعد. هذا هو السبب أيضًا في أن العديد من المؤسسات لا تزال تنتظر رؤيتها وعدمها لزيادة الاستثمار. لكن الوضع الآن مختلف ، لأن العالم دخل فترة حرجة لتطوير الجيل الثالث من أشباه الموصلات. ركائز السيراميك السيليكون لها منتجات ناضجة في الولايات المتحدة واليابان. الصين أمامها طريق طويل في هذا الصدد.