Čo je nitrid kremíka

Nitrid kremíka (Si3N4)je kľúčovým materiálom vo vývoji pokročilej vysokoteplotnej konštrukčnej keramiky. Známy pre svoje výnimočné vlastnosti, ako je odolnosť voči vysokým teplotám, odolnosť proti opotrebovaniu, nízka hustota, vysoká pevnosť a tvrdosť, si získal povesť „všestranného šampióna sveta materiálov“. Vďaka týmto jedinečným vlastnostiam je keramika z nitridu kremíka nenahraditeľná v rade špičkových oblastí vrátane strojárstva, letectva, národnej obrany, polovodičovej technológie a dokonca aj biomedicínskych aplikácií.

Nitrid kremíkaje anorganická, nekovová zlúčenina zložená z Si-N tetraedrických jednotiek, vyznačujúca sa silnou kovalentnou väzbou medzi atómami. Vysoká pevnosť väzby medzi atómami kremíka a dusíka poskytuje Si3N4 vynikajúce mechanické vlastnosti, vrátane vynikajúcej tvrdosti a vynikajúcej odolnosti proti opotrebovaniu. Jeho keramika vykazuje silnú odolnosť proti ohybu a stlačeniu, vďaka čomu je vysoko odolná v náročných prostrediach. Avšak rovnako silné kovalentné spojenie, ktoré prepožičiava nitridu kremíka jeho pevnosť, má za následok aj obmedzenú plastickú deformáciu, čo znamená, že kryštálová štruktúra má veľmi málo šmykových systémov. To dáva nitridu kremíka krehký charakter, vďaka čomu je náchylnejší na zlomenie pri namáhaní.

Jednou z kľúčových výhodnitrid kremíkaje jeho silná chemická stabilita, ktorá vyplýva z priestorovej sieťovej štruktúry tvorenej tetraedrickými jednotkami nitridu kremíka. Vďaka tomu je vysoko odolný voči väčšine anorganických kyselín a zásad, okrem kyseliny fluorovodíkovej, ktorá môže materiál korodovať. Táto chemická odolnosť prispieva k jeho spoľahlivosti v drsnom chemickom prostredí a ďalej rozširuje jeho potenciálne aplikácie v kritických priemyselných odvetviach.

Kryštálové štruktúry nitridu kremíka

Nitrid kremíkaexistuje v troch rôznych kryštálových štruktúrach: α-fáza, β-fáza a γ-fáza. Spomedzi nich sú α a β fázy najčastejšie pozorovanými a používanými formami Si3N4, pričom obe patria do hexagonálneho kryštálového systému. Stabilná sieťová štruktúra týchto fáz je zodpovedná za vynikajúce mechanické a tepelné vlastnosti, vďaka ktorým je keramika z nitridu kremíka ideálna pre rôzne aplikácie.

β-fáza (β-Si3N4) je obzvlášť dôležitá v inžinierskych aplikáciách kvôli jej vynikajúcemu výkonu pri vysokých teplotách a chemickej odolnosti. Je to najpoužívanejšia forma kryštálu v odvetviach, ako je letectvo, obrana a strojárstvo. Napríklad β-Si3N4 sa používa pri výrobe vysokovýkonných keramických častí motorov, rotorov a statorov pre plynové turbíny a mechanických tesniacich krúžkov, kde sú vysoko cenené jeho samomazacie vlastnosti a vysoká odolnosť v extrémnych podmienkach.

Naproti tomu γ-fáza (γ-Si3N4) je oveľa menej bežná forma nitridu kremíka, ktorý sa dá syntetizovať iba za podmienok vysokej teploty a vysokého tlaku. V dôsledku toho sa výskum štruktúr nitridu kremíka primárne zameral na α a β fázy.

Vysoká tepelná vodivosťKeramické substráty z nitridu kremíka

Ako sa elektronický priemysel neustále vyvíja smerom k väčšej systemizácii, inteligencii a integrácii, požiadavky na polovodičové zariadenia sa rýchlo zvyšujú. S rastúcim príkonom elektronických čipov a hustejšie uloženými obvodmi sa teplo generované počas prevádzky stáva významnou výzvou. Účinné odvádzanie tepla sa stalo kritickým faktorom pri zlepšovaní celkového výkonu a účinnosti polovodičových zariadení a práve tu hrá nitrid kremíka zásadnú úlohu.

Vysoká teoretická tepelná vodivosť nitridu kremíka v kombinácii s vynikajúcou elektrickou izoláciou a odolnosťou voči oxidácii z neho robí ideálny materiál pre vysokovýkonné elektronické obalové substráty. Jeho koeficient tepelnej rozťažnosti sa navyše veľmi zhoduje s koeficientom tepelnej rozťažnosti materiálov používaných v polovodičových čipoch, čím sa zabezpečuje štrukturálna integrita a minimalizuje sa tepelné namáhanie počas prevádzky. Tieto vlastnosti umožňujú výrobu vysokovýkonných substrátov na odvádzanie tepla v aplikáciách, ako sú vysokorýchlostné obvody, IGBT (Bipolárne tranzistory s izolovanou bránou), LG (Light Guides) a CPV (Concentrated Photovoltaic) systémy.

Schopnosť nitridu kremíka účinne odvádzať teplo pri zachovaní elektrickej izolácie a mechanickej stability je nevyhnutná pre zariadenia narábajúce s veľkým množstvom energie. Jeho vynikajúci výkon v týchto oblastiach zaisťuje nielen spoľahlivú prevádzku výkonových polovodičov, ale prispieva aj k miniaturizácii a účinnosti moderných elektronických systémov.

Záver

Stručne povedané, jedinečná kombinácia pevnosti, tepelnej odolnosti, chemickej stability a tepelnej vodivosti z nitridu kremíka z neho robí nepostrádateľný materiál v rôznych vysokovýkonných aplikáciách. Od jeho použitia v letectve a obrane na výrobu odolných, vysokoteplotných komponentov až po jeho úlohu pri riešení problémov s rozptylom tepla vo vysokovýkonných polovodičových zariadeniach, nitrid kremíka je naďalej dôležitým hráčom v rozvoji moderných technológií. Keďže výskum pokračuje v skúmaní jeho vlastností a potenciálu, nitrid kremíka je pripravený zostať šampiónom vo svete pokročilých materiálov.

Semicorex offers high-quality SiN substrát. Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktné telefónne číslo +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com