सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक, हाई-एंड लीग में खेल रहा है

सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4) सिरेमिक एक गैर-धातु सामग्री है जो सिलिकॉन नाइट्राइड पाउडर से बनाने और सिंटरिंग जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से बनाई जाती है, और उनमें उत्कृष्ट व्यापक गुण होते हैं। सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सामग्री में उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं जिनका मिलान सामान्य धातु सामग्री और पॉलिमर सामग्री के लिए मुश्किल होता है, जिसमें पहनने के प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध (हाइड्रोफ्लोरिक एसिड और केंद्रित NaOH को छोड़कर सभी एसिड और बेस के लिए प्रतिरोधी), उच्च तापमान प्रतिरोध (1400 डिग्री के अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान के साथ 1800 डिग्री से अधिक के उच्च तापमान का सामना करना पड़ता है), उच्च फ्रैक्चर कठोरता (अन्य सिरेमिक सामग्री की तुलना में कहीं अधिक), और उच्च तापीय चालकता शामिल है। वे कठोर कामकाजी वातावरण का सामना कर सकते हैं जिसे धातु या बहुलक सामग्री संभाल नहीं सकती है, इसलिए सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सामग्री कई पारंपरिक सामग्रियों की जगह ले सकती है और कई औद्योगिक क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। उच्च गुणवत्ता वाला पाउडर उच्च प्रदर्शन वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक तैयार करने की नींव है, और कम लागत वाली पाउडर तैयारी तकनीक सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के व्यापक अनुप्रयोग की कुंजी है। सिलिकॉन नाइट्राइड पाउडर की मुख्य तैयारी विधियों में प्रत्यक्ष सिलिकॉन पाउडर नाइट्रिडेशन, स्व-प्रसार संश्लेषण, कार्बोथर्मल कमी और थर्मल अपघटन शामिल हैं।

प्रत्यक्ष सिलिकॉन पाउडर नाइट्रिडेशन। सिलिकॉन पाउडर सीधे नाइट्रोजन, अमोनिया या अन्य नाइट्रोजन युक्त वातावरण के साथ प्रतिक्रिया करके सिलिकॉन नाइट्राइड पाउडर बनाता है। इस पद्धति में अपेक्षाकृत परिपक्व प्रक्रिया है, बड़े पैमाने पर उत्पादन प्राप्त किया जा सकता है, और इसकी उत्पादन लागत अपेक्षाकृत कम है, और इसे अधिकांश घरेलू और अंतर्राष्ट्रीय उद्यमों द्वारा अपनाया जाता है।

स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण (एसएचएस)। सिद्धांत यह है कि कच्चे माल को प्रज्वलित करने के बाद, प्रतिक्रिया अप्रतिक्रिया वाले क्षेत्र में तब तक फैलती रहती है जब तक कि प्रतिक्रिया पूरी नहीं हो जाती। इसकी विशेषता यह है कि किसी बाहरी ऊष्मा स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है, और आवश्यक ऊष्मा स्वयं के दहन द्वारा प्रदान की जाती है। पाउडर तैयार करने की इस विधि में उच्च दक्षता, ऊर्जा बचत और पर्यावरण संरक्षण के फायदे हैं, लेकिन पाउडर तैयार करते समय, क्योंकि प्रतिक्रिया की गति बहुत तेज होती है, प्रतिक्रिया प्रक्रिया को नियंत्रित करना मुश्किल होता है।

कार्बोथर्मल कटौती विधि. सिलिकॉन स्रोत के रूप में SiO2 और कम करने वाले एजेंट के रूप में कार्बन का उपयोग करके, सिलिकॉन नाइट्राइड को N2 वायुमंडल के तहत 1400 डिग्री से ऊपर कार्बन कटौती और नाइट्रिडेशन प्रतिक्रिया के माध्यम से संश्लेषित किया जाता है। इस विधि में उपयोग किए जाने वाले कच्चे माल की लागत कम होती है, तैयार पाउडर उत्पाद में छोटे कण आकार होते हैं, प्रतिक्रिया की गति तेज होती है, -Si3N4 सामग्री अधिक होती है, और यह बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त है। हालाँकि, तैयार सिलिकॉन नाइट्राइड पाउडर में अक्सर अवशिष्ट कार्बन या सिलिकॉन कार्बाइड होता है, इसलिए तैयार पाउडर की शुद्धता अधिक नहीं होती है, जो उत्पाद की गुणवत्ता और अनुप्रयोग को प्रभावित करती है।

सिलिकॉन इमाइड पायरोलिसिस विधि। इंटरफेशियल प्रतिक्रिया और थर्मल अपघटन के माध्यम से अपेक्षाकृत उच्च-चरण सामग्री के साथ Si3N4 पाउडर तैयार करने की एक विधि। इस विधि को तैयार करना कठिन है, इसमें उच्च तकनीकी बाधाएँ हैं, और कच्चे माल की शुद्धता के लिए उच्च आवश्यकताएँ हैं। इसकी कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि स्थिर ठोस सिलिकॉन इमाइड (Si(NH)2) प्राप्त करना आसान नहीं है। यह विधि उच्च शुद्धता, उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन नाइट्राइड पाउडर का उत्पादन कर सकती है।

सिलिकॉन इमाइड पायरोलिसिस विधि का प्रक्रिया प्रवाह आरेख

02 विविध अनुप्रयोग: तीन प्रमुख उत्पाद हाई-एंड मटेरियल ट्रैक पर कब्ज़ा करते हैं

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक उत्पादों में मुख्य रूप से तीन प्रमुख श्रेणियां शामिल हैं: सिरेमिक सब्सट्रेट, सिरेमिक बॉल्स और संरचनात्मक घटक। वर्तमान में, सिरेमिक सब्सट्रेट्स और हाई-एंड हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग (HIP) सिरेमिक बॉल्स के क्षेत्र में अभी भी जापानी और अमेरिकी उद्यमों जैसे कियोसेरा, तोशिबा मटेरियल्स, मारुवा और कूर्सटेक का वर्चस्व है, जबकि घरेलू उद्यमों में मुख्य रूप से सिनोमा एडवांस्ड मटेरियल्स, गुओसी जिनशेंग, हेंगयांग कैक्सिन और अन्य शामिल हैं।

सिरेमिक सबस्ट्रेट्स

सिलिकॉन नाइट्राइड को सर्वोत्तम व्यापक प्रदर्शन के साथ सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री माना जाता है, जिसमें तापीय चालकता 90-120 W/(m·k), 3.2×10-6/ डिग्री का थर्मल विस्तार गुणांक, और उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति, अच्छी रासायनिक स्थिरता और थर्मल शॉक प्रतिरोध तक पहुंचती है। तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उपकरणों और उच्च-शक्ति-घनत्व अनुप्रयोगों के तेजी से विकास के साथ, उच्च-प्रदर्शन सिरेमिक सब्सट्रेट्स की बाजार मांग बढ़ती जा रही है, और सिलिकॉन नाइट्राइड सब्सट्रेट्स धीरे-धीरे उच्च-अंत पावर मॉड्यूल के लिए महत्वपूर्ण तकनीकी मार्गों में से एक बन रहे हैं।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक शीट, छवि स्रोत: फेरोटेक

वर्तमान में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट तैयार करने के लिए उद्योग में आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि कार्बनिक टेप कास्टिंग है। सबसे पहले, सिलिकॉन नाइट्राइड पाउडर, डिस्पर्सेंट, सिंटरिंग सहायता और कार्बनिक विलायक को प्राथमिक बॉल मिलिंग द्वारा मिश्रित किया जाता है, और साथ ही पाउडर को आवश्यक कण आकार में बॉल-मिल्ड किया जाता है; फिर इसे समान रूप से मिश्रित करने के लिए सेकेंडरी बॉल मिलिंग के लिए बॉल-मिल्ड घोल में बाइंडर और प्लास्टिसाइज़र मिलाया जाता है; फोमिंग के बाद, आवश्यक घोल प्राप्त होता है। हरे रंग की बॉडी प्राप्त करने के लिए टेप कास्टिंग के लिए घोल को टेप कास्टिंग मशीन में जोड़ा जाता है, और फिर हरे शरीर को आवश्यक आकार में काटा जाता है, बाइंडर को हटाने और सिंटरिंग के अधीन किया जाता है, और अंत में एक सिंटर सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक सब्सट्रेट प्राप्त किया जाता है। सिंटरिंग विधियों में मुख्य रूप से रिएक्शन सिंटरिंग (आरएस), हॉट प्रेसिंग सिंटरिंग (एचपीएस), प्रेशरलेस सिंटरिंग (पीएलएस), और गैस प्रेशर सिंटरिंग (जीपीएस) शामिल हैं।

पैकेजिंग में उपयोग करने से पहले, सिरेमिक सब्सट्रेट्स को धातुकृत करने की आवश्यकता होती है, यानी, सिरेमिक सतह पर तांबा चढ़ाना या तांबा कोटिंग द्वारा एक प्रवाहकीय परत बनाई जाती है, ताकि इलेक्ट्रॉनिक घटकों को जोड़ा जा सके और सर्किट के प्रवाहकीय कार्य का एहसास हो सके। सामान्य सिरेमिक धातुकरण प्रक्रियाओं में डीपीसी, डीबीसी और एएमबी शामिल हैं।

चीन का सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक उद्योग अपेक्षाकृत देर से शुरू हुआ। उच्च-अंत सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक उत्पादों में अभी भी कुछ प्रमुख प्रदर्शन संकेतकों में विदेशी देशों की तुलना में अंतर है, और कुछ आयात पर निर्भर हैं, लेकिन निम्न-और मध्य-अंत उत्पादों ने मूल रूप से घरेलू उत्पादन हासिल किया है। अंतराल मुख्य रूप से तकनीकी सुधार, आयातित उपकरणों पर निर्भरता, अस्थिर उत्पाद गुणवत्ता, तर्कहीन औद्योगिक संरचना और अपर्याप्त बाजार विकास में परिलक्षित होते हैं।

सिरेमिक गेंदें

स्टील की गेंदों की तुलना में, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक गेंदों में उच्च सीमा गति, मजबूत भार-वहन क्षमता, उच्च तापमान प्रतिरोध और एसिड और क्षार संक्षारण प्रतिरोध के फायदे हैं, और कुछ स्व-चिकनाई गुण भी प्रदर्शित करते हैं। रोलिंग तत्वों के रूप में पूर्ण लाभ के साथ, वे व्यापक रूप से उच्च गति बीयरिंग में उपयोग किए जाते हैं और उच्च गति, उच्च परिशुद्धता बीयरिंग के प्रमुख घटक बन गए हैं।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक गेंदों की तैयारी की प्रक्रिया में पहले एक घने, उच्च शक्ति वाले सिरेमिक बॉल सिंटेड बॉडी ब्लैंक प्राप्त करना है, और फिर आवश्यक आकार, गोलाई और खुरदरापन प्राप्त करने के लिए ब्लैंक को सटीक रूप से मशीन करना है। तैयारी प्रक्रिया में आम तौर पर चार चरण शामिल होते हैं: कच्चे माल की तैयारी, हरित निकाय का निर्माण, उच्च तापमान सिंटरिंग और पीसना। ड्राई फॉर्मिंग में उच्च फॉर्मिंग दक्षता, लघु फॉर्मिंग चक्र और कम बाइंडर सामग्री के फायदे हैं, और यह Si3N4 सिरेमिक गेंदों के औद्योगीकरण के लिए पसंदीदा फॉर्मिंग विधि है। ड्राई फॉर्मिंग में ड्राई प्रेसिंग और आइसोस्टैटिक प्रेसिंग शामिल है, दोनों का उपयोग आमतौर पर Si3N4 सिरेमिक गेंदों के ग्रीन बॉडी फॉर्मिंग में किया गया है।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक गेंदों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त सिंटरिंग विधियां गैस प्रेशर सिंटरिंग (जीपीएस) और हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग सिंटरिंग (एचआईपी) हैं। उनमें से, हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग तकनीक दबाव माध्यम के रूप में गैस का उपयोग करती है और सिंटरिंग के दौरान शरीर की सभी दिशाओं में समान दबाव लागू करती है, जिससे उच्च तापमान और उच्च दबाव के तहत सिरेमिक का घनत्व प्राप्त होता है। यह उच्च प्रदर्शन वाले सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक गेंदों के निर्माण के लिए सबसे अच्छी प्रक्रिया है।

जीपीएस सिलिकॉन नाइट्राइड और एचआईपी सिलिकॉन नाइट्राइड के गुणों की तुलना तालिका

सिंटरिंग के बाद, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक गेंदों को पीसने, पॉलिश करने और सुपरफिनिशिंग प्रक्रियाओं सहित उच्च परिशुद्धता और कम खुरदरापन की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए सतह परिष्करण की भी आवश्यकता होती है।

सिरेमिक संरचनात्मक घटक

सटीक सिरेमिक संरचनात्मक घटक अर्धचालक उपकरण के प्रमुख घटक हैं, और उनके अनुसंधान, विकास और उत्पादन सीधे अर्धचालक उद्योग के विकास को प्रभावित करते हैं। सिलिकॉन नाइट्राइड में कम तापीय विस्तार गुणांक, उच्च तापीय चालकता, रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध और उत्कृष्ट तापीय आघात प्रतिरोध होता है। हॉट-प्रेस्ड सिंटर्ड Si3N4 में अत्यधिक कठोरता है और यह अत्यधिक उच्च तापमान प्रतिरोधी है। इसकी ताकत बिना घटे 1200 डिग्री पर बनी रहती है और गर्म करने पर यह पिघलकर तरल पदार्थ में नहीं बदलेगा। इसे सर्वोत्तम व्यापक प्रदर्शन के साथ सिरेमिक सामग्री कहा जाता है और इसका उपयोग अर्धचालक उपकरणों में वेफर कैरियर, हीटर, नक़्क़ाशी मशीन घटकों और अन्य के निर्माण के लिए किया जाता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक संरचनात्मक घटक, छवि स्रोत: सेरामटेक

03 सारांश

सिलिकॉन नाइट्राइड के लिए भविष्य का वृद्धिशील बाजार पारंपरिक संरचनात्मक सिरेमिक से अधिक उच्च-मूल्य वाले अनुप्रयोगों तक विस्तारित हो रहा है। पावर अर्धचालकों को उच्च-तापीय-चालकता, उच्च-विश्वसनीयता वाले सिरेमिक सब्सट्रेट्स की आवश्यकता होती है; नई ऊर्जा वाहनों को उच्च-पहनने-प्रतिरोध, उच्च-विश्वसनीयता वाले सिरेमिक गेंदों और संबंधित घटकों की आवश्यकता होती है; सेमीकंडक्टर उपकरण को उच्च शुद्धता, कम संदूषण, संक्षारण प्रतिरोधी सटीक सिरेमिक संरचनात्मक घटकों की आवश्यकता होती है। निरंतर तकनीकी सफलताओं के साथ, सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के उच्च-स्तरीय औद्योगीकरण और घरेलू प्रतिस्थापन के लिए व्यापक जगह है, और भविष्य में विकास की विशाल संभावनाएं हैं।