A cerâmica de nitreto de silício (Si3N4) é um material não metálico feito de pó de nitreto de silício por meio de processos como conformação e sinterização e possui excelentes propriedades abrangentes. Os materiais cerâmicos de nitreto de silício têm excelentes propriedades físicas e químicas que são difíceis de serem correspondidas por materiais metálicos em geral e materiais poliméricos, incluindo resistência ao desgaste, resistência à corrosão (resistente a todos os ácidos e bases, exceto ácido fluorídrico e NaOH concentrado), resistência a altas temperaturas (resiste a altas temperaturas de mais de 1800 graus, com uma temperatura operacional máxima de 1400 graus), alta tenacidade à fratura (muito maior do que outros materiais cerâmicos) e alta condutividade térmica. Eles podem suportar ambientes de trabalho severos que os materiais metálicos ou poliméricos não conseguem suportar, portanto, os materiais cerâmicos de nitreto de silício podem substituir muitos materiais tradicionais e são amplamente utilizados em vários campos industriais. Pó de alta qualidade é a base para a preparação de cerâmicas de nitreto de silício de alto desempenho, e a tecnologia de preparação de pó de baixo custo é a chave para a ampla aplicação de cerâmicas de nitreto de silício. Os principais métodos de preparação do pó de nitreto de silício incluem nitretação direta do pó de silício, síntese autopropagada, redução carbotérmica e decomposição térmica.
Nitretação direta de silício em pó. O pó de silício reage diretamente com nitrogênio, amônia ou outras atmosferas contendo nitrogênio para formar pó de nitreto de silício. Este método tem um processo relativamente maduro, pode atingir produção em larga escala e tem custos de produção relativamente baixos, sendo adotado pela maioria das empresas nacionais e internacionais.
Síntese autopropagada em alta temperatura (SHS). O princípio é que após a ignição das matérias-primas, a reação se difunde para a região que não reagiu até que a reação esteja completa. Sua característica é que não é necessária nenhuma fonte externa de calor e o calor necessário é fornecido pela própria combustão. Este método de preparação de pó tem as vantagens de alta eficiência, economia de energia e proteção ambiental, mas durante a preparação de pó, como a velocidade de reação é muito rápida, o processo de reação é difícil de controlar.
Método de redução carbotérmica. Usando SiO2 como fonte de silício e carbono como agente redutor, o nitreto de silício é sintetizado através da redução de carbono e reação de nitretação acima de 1400 graus sob atmosfera de N2. As matérias-primas utilizadas neste método têm baixo custo, o produto em pó preparado possui tamanho de partícula pequeno, a velocidade de reação é rápida, o teor de -Si3N4 é alto e é adequado para produção em larga escala. No entanto, o pó de nitreto de silício preparado geralmente contém carbono residual ou carboneto de silício, portanto a pureza do pó preparado não é alta, o que afeta a qualidade e a aplicação do produto.
Método de pirólise de imida de silício. Um método para preparar pó de Si3N4 com conteúdo de fase relativamente alto por meio de reação interfacial e decomposição térmica. Este método é difícil de preparar, possui altas barreiras técnicas e exige altos requisitos de pureza da matéria-prima. Sua dificuldade reside no fato de não ser fácil obter imida de silício sólida estável (Si(NH)2). Este método pode produzir pó de nitreto de silício de alta pureza e alta qualidade.
Diagrama de fluxo do processo do método de pirólise de imida de silício
02 Aplicações diversas: três produtos principais conquistam o caminho dos materiais de alta qualidade
Os produtos cerâmicos de nitreto de silício incluem principalmente três categorias principais: substratos cerâmicos, esferas cerâmicas e componentes estruturais. Atualmente, os campos de substratos cerâmicos e esferas cerâmicas de prensagem isostática a quente (HIP) de alta qualidade ainda são dominados por empresas japonesas e americanas, como Kyocera, Toshiba Materials, Maruwa e CoorsTek, enquanto as empresas nacionais incluem principalmente Sinoma Advanced Materials, Guoci Jinsheng, Hengyang Kaixin e outras.
Substratos cerâmicos
O nitreto de silício é considerado o material de substrato cerâmico com melhor desempenho abrangente, com condutividade térmica atingindo 90–120 W/(m·k), coeficiente de expansão térmica de 3,2×10-6/ grau e excelente resistência mecânica, boa estabilidade química e resistência ao choque térmico. Com o rápido desenvolvimento de dispositivos semicondutores de terceira geração e aplicações de alta densidade de potência, a demanda do mercado por substratos cerâmicos de alto desempenho continua a crescer, e os substratos de nitreto de silício estão gradualmente se tornando uma das rotas técnicas importantes para módulos de potência de ponta.
Folha cerâmica de nitreto de silício, fonte da imagem: Ferrotec
Atualmente, o método comumente utilizado na indústria para preparar substratos cerâmicos de nitreto de silício é a fundição de fita orgânica. Primeiro, o pó de nitreto de silício, o dispersante, o auxiliar de sinterização e o solvente orgânico são misturados por moagem primária de bolas e, ao mesmo tempo, o pó é moído em bolas até o tamanho de partícula necessário; em seguida, o aglutinante e o plastificante são adicionados à pasta moída em esferas para moagem secundária para torná-la uniformemente misturada; após a desespumação, obtém-se a pasta necessária. A pasta é adicionada a uma máquina de fundição de fita para fundição de fita para obter um corpo verde e, em seguida, o corpo verde é cortado no tamanho necessário, submetido à remoção do ligante e sinterização e, finalmente, um substrato cerâmico de nitreto de silício sinterizado é obtido. Os métodos de sinterização incluem principalmente sinterização por reação (RS), sinterização por prensagem a quente (HPS), sinterização sem pressão (PLS) e sinterização por pressão de gás (GPS).
Antes de serem utilizados em embalagens, os substratos cerâmicos precisam ser metalizados, ou seja, uma camada condutora é formada na superfície cerâmica por revestimento de cobre ou revestimento de cobre, de forma a conectar componentes eletrônicos e realizar a função condutora do circuito. Os processos comuns de metalização cerâmica incluem DPC, DBC e AMB.
A indústria cerâmica de nitreto de silício da China começou relativamente tarde. Os produtos cerâmicos de nitreto de silício de alta qualidade ainda apresentam lacunas em comparação com países estrangeiros em alguns indicadores-chave de desempenho, e alguns dependem de importações, mas os produtos de baixa e média qualidade alcançaram basicamente a produção nacional. As lacunas reflectem-se principalmente na melhoria tecnológica, na dependência de equipamentos importados, na qualidade instável dos produtos, na estrutura industrial irracional e no desenvolvimento insuficiente do mercado.
Bolas de cerâmica
Em comparação com as esferas de aço, as esferas de cerâmica de nitreto de silício têm as vantagens de alta velocidade limite, forte capacidade de carga, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão ácida e alcalina, e também exibem certas propriedades autolubrificantes. Com vantagens absolutas como elementos rolantes, eles são amplamente utilizados em rolamentos de alta velocidade e se tornaram componentes-chave de rolamentos de alta velocidade e alta precisão.
O processo de preparação das bolas de cerâmica de nitreto de silício consiste primeiro em obter uma peça bruta de corpo sinterizado de bola cerâmica densa e de alta resistência e, em seguida, usinar com precisão a peça bruta para atingir o tamanho, arredondamento e rugosidade necessários. O processo de preparação geralmente inclui quatro etapas: preparação da matéria-prima, formação do corpo verde, sinterização em alta temperatura e moagem. A conformação a seco tem as vantagens de alta eficiência de conformação, ciclo de conformação curto e baixo teor de ligante, e é o método de conformação preferido para a industrialização de esferas cerâmicas de Si3N4. A conformação a seco inclui prensagem a seco e prensagem isostática, ambas comumente usadas na formação de corpo verde de esferas cerâmicas de Si3N4.
Os métodos de sinterização adequados para a produção em massa de esferas cerâmicas de nitreto de silício são a sinterização por pressão de gás (GPS) e a sinterização por prensagem isostática a quente (HIP). Entre elas, a tecnologia de prensagem isostática a quente utiliza gás como meio de pressão e aplica pressão igual em todas as direções do corpo durante a sinterização, conseguindo densificação da cerâmica sob alta temperatura e alta pressão. É o melhor processo para fabricação de bolas cerâmicas de nitreto de silício de alto desempenho.
Tabela de comparação de propriedades de nitreto de silício GPS e nitreto de silício HIP
Após a sinterização, as esferas cerâmicas de nitreto de silício também precisam de acabamento superficial para atender aos requisitos de alta precisão e baixa rugosidade, incluindo processos de retificação, polimento e superacabamento.
Componentes estruturais cerâmicos
Componentes estruturais cerâmicos de precisão são componentes-chave de equipamentos semicondutores e sua pesquisa, desenvolvimento e produção afetam diretamente o desenvolvimento da indústria de semicondutores. O nitreto de silício possui baixo coeficiente de expansão térmica, alta condutividade térmica, resistência à corrosão química e excelente resistência ao choque térmico. O Si3N4 sinterizado prensado a quente possui dureza extremamente alta e é extremamente resistente a altas temperaturas. Sua resistência permanece em 1200 graus sem diminuir e não derreterá em líquido após o aquecimento. É denominado o material cerâmico com melhor desempenho abrangente e é utilizado em equipamentos semicondutores para fabricação de portadores de wafer, aquecedores, componentes de máquinas de gravação, entre outros.
Componentes estruturais cerâmicos de nitreto de silício, fonte da imagem: CeramTec
03 Resumo
O futuro mercado incremental de nitreto de silício está se expandindo da cerâmica estrutural tradicional para aplicações de maior valor. Os semicondutores de potência precisam de substratos cerâmicos de alta condutividade térmica e alta confiabilidade; os novos veículos energéticos precisam de esferas de cerâmica e componentes relacionados de alta resistência ao desgaste e alta confiabilidade; equipamentos semicondutores precisam de componentes estruturais cerâmicos de precisão de alta pureza, baixa contaminação e resistentes à corrosão. Com avanços tecnológicos contínuos, há amplo espaço para a industrialização de ponta e a substituição doméstica de cerâmicas de nitreto de silício, e um enorme potencial de desenvolvimento futuro.