جيد ولكنه مكلف ، لماذا تكلف ركيزة نيتريد الألومنيوم أعلى؟

اليوم، إنه بلا شك عصر تكنولوجيا المعلومات قادم. أدى التطور السريع لصناعة الإلكترونيات الدقيقة إلى نجاح سيراميك نيتريد الألومنيوم في إنتاج دوائر متكاملة واسعة النطاق. وهي تجذب الانتباه باعتبارها ركائز سيراميكية عالية التوصيل للحرارة ومواد تعبئة.

تعد الموصلية الحرارية لـ AlN حاليًا أكثر سيراميك Al2O3 استخدامًا على نطاق واسع بما يصل إلى سبع مرات، في حين أن ثابت العزل الكهربائي المنخفض، مع الألومينا ينافس الخواص الكهربائية الممتازة، والقوة العالية، والكثافة المنخفضة وغير السامة. ولكن هناك مكاسب وخسائر، وتواجه الركيزة الحالية من نيتريد الألومنيوم معضلة أكبر، وهي التكلفة إلى حد ما تؤثر على الترويج لتطبيقها.

إذن من أين تأتي هذه التكاليف؟ كما ذكرنا، يتمتع AlN بموصلية حرارية متميزة، ولكن بسبب الشوائب والعيوب في السيراميك، فإن الموصلية الحرارية للمنتج بعيدة عن القيمة النظرية.

لذلك، من أجل الاقتراب قدر الإمكان من التوصيل الحراري النظري وتسليط الضوء على مزايا AlN نفسها، يجب على الشركات المصنعة توخي الحذر في التحضير لتجنب أوجه القصور الواضحة في الأداء. تتميز كل عملية بالتميز، لذلك تأتي التكلفة العالية.

تحضير مسحوق AlN

باعتبارها مادة خام لتحضير منتجات السيراميك النهائية، فإن النقاء وحجم الجسيمات ومحتوى الأكسجين والشوائب الأخرى لها تأثير مهم على التوصيل الحراري وعملية التلبيد والتشكيل. وهم حجر الزاوية في الأداء الممتاز للمنتجات النهائية.

هناك عدة طرق لتركيب مساحيق AlN كما يلي:

① طريقة النتردة المباشرة: في جو النيتروجين ذو درجة الحرارة المرتفعة، يتم دمج مسحوق الألومنيوم كيميائيًا مباشرة مع النيتروجين لإنتاج مسحوق نيتريد الألومنيوم، وتكون درجة حرارة التفاعل عمومًا في حدود 800 درجة مئوية ~ 1200 درجة مئوية.

② طريقة التخفيض الحراري للكربون: خليط مسحوق Al2O3 ومسحوق الكربون في درجة الحرارة العالية (1400 درجة مئوية ~ 1800 درجة مئوية) في تدفق تفاعل نترجة اختزال غاز النيتروجين لإنتاج مسحوق AlN.

③ طريقة التوليف ذات درجة الحرارة العالية ذات الانتشار الذاتي: إنها النتردة المباشرة لمسحوق الألومنيوم، مع الاستفادة الكاملة من خصائص النتردة المباشرة لمسحوق الألومنيوم كتفاعل طارد قوي للحرارة، ومسحوق الألومنيوم في نقطة النيتروجين بعد ذلك، واستخدام ارتفاع حرارة التفاعل الكيميائي بين الألومنيوم والنيتروجين ليحافظ على التفاعل من تلقاء نفسه، تخليق AlN.

④طريقة ترسيب البخار الكيميائي: استخدام مركبات الألومنيوم المتطايرة وتفاعل غاز النيتروجين أو الأمونيا، والترسيب من الطور الغازي لمسحوق نيتريد الألومنيوم. وفقا لاختيار مصدر الألومنيوم، وتنقسم إلى طريقة ترسيب البخار الكيميائي العضوي وغير العضوي.

من الواضح أن العملية المطلوبة للنقاء العالي وحجم الجسيمات الدقيقة والتوزيع الضيق لحجم الجسيمات لمسحوق AlN مكلفة، أو أن عملية التحضير معقدة، أو أن كفاءة الإنتاج منخفضة، أو أن المعدات تتطلب ظروفًا عالية، ونتيجة لهذه السلسلة من الصعوبات هي ارتفاع سعر مسحوق نيتريد الألومنيوم عالي الجودة.

تشكيل AlN

هناك عمليات قولبة مختلفة لمسحوق AlN، وعمليات القولبة التقليدية مثل القولبة، والضغط الساخن، والضغط المتوازن قابلة للتطبيق. من بينها، الضغط الساخن المتساوي الضغط مناسب لإعداد مواد سيراميك نيتريد الألومنيوم عالية الأداء، لكن التكلفة العالية وكفاءة الإنتاج المنخفضة لا يمكن أن تلبي الطلب المتزايد على ركيزة سيراميك نيتريد الألومنيوم في صناعة الإلكترونيات. من أجل حل هذه المشكلة، استخدم الناس مؤخرًا طريقة الصب التدفقي لتشكيل ركائز سيراميك نيتريد الألومنيوم. أصبحت طريقة الصب أيضًا هي عملية التشكيل الرئيسية لسيراميك نيتريد الألومنيوم في صناعة الإلكترونيات.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لحب الماء القوي لمسحوق AlN، لتقليل الأكسدة، يجب تجنب ملامسة الماء قدر الإمكان أثناء عملية القولبة، مما يعني أنه يجب تحضير الفراغات الخزفية من نيتريد الألومنيوم باستخدام الملاط العضوي. ولكن بما أن المذيب العضوي المستخدم لديه قابلية تطاير قوية، فإنه سوف يسبب آثارًا ضارة على البيئة وجسم الإنسان. أو تحسين مقاومة السطح للتحلل المائي لمسحوق AlN، مثل تكوين أغلفة طلاء على سطح AlN بمساعدة المواد العضوية الكارهة للماء والمحبة للماء، أو المعالجة الحرارية في جو جوي ذو ضغط جزئي أكسجين معين لتشكيل طبقة كثيفة من أكسيد الألومنيوم على سطحه، الخ.

تلبيد AlN

عملية تلبيد نيتريد الألومنيوم قاسية نسبيًا، غالبًا ما تصل درجة حرارة التلبيد أو الضغط الساخن إلى 1800 درجة مئوية أو أكثر، لتحقيق تلبيد كثيف، وتقليل محتوى الشوائب ومرحلة حدود الحبوب، ولكن أيضًا لتبسيط العملية، وخفض التكاليف، في عملية تلبيد سيراميك AlN هي المفتاح الذي يجب القيام به: أولاً، اختر عملية التلبيد والجو المناسب. ثانياً، اختيار إضافات التلبيد المناسبة.

1. عملية التلبيد

تعد عملية تلبيد ركائز AlN صعبة للغاية بسبب معامل الانتشار الذاتي الصغير.

① تلبيد الضغط الساخن: تلبيد السيراميك تحت ضغط معين، يمكن أن يؤدي إلى تلبيد التسخين والتشكيل المضغوط في نفس الوقت، بحيث يمكن الحصول على حبيبات دقيقة وكثافة نسبية عالية وخصائص ميكانيكية جيدة للسيراميك.

② لا يوجد تلبد بالضغط: عملية التلبيد بسيطة، وتلبد نيتريد الألومنيوم بالضغط الجوي يتراوح بين 1600-2000 درجة مئوية. يمكن أن تؤدي الزيادة المناسبة في درجة حرارة التلبيد وتمديد وقت الاحتفاظ إلى تحسين كثافة سيراميك نيتريد الألومنيوم، ولكن القوة منخفضة نسبيًا.

③ تلبيد الميكروويف: تلبيد الميكروويف هو أيضًا طريقة تلبيد سريعة، وذلك باستخدام التفاعل بين أجهزة الميكروويف والوسيط لإنتاج فقدان العزل الكهربائي والتسخين الشامل لطريقة التلبيد الفارغة.

④ تلبيد البلازما بالتفريغ: يتضمن تنشيط البلازما، والضغط الساخن، والتسخين بالمقاومة وغيرها من التقنيات. إنها تتميز بخصائص سرعة التلبيد السريعة وحجم الحبوب الموحد، ولكن تكلفة المعدات مرتفعة وحجم قطعة العمل المعالجة محدود.

⑤تلبيد الانتشار الذاتي: يتم تحضير سيراميك AlN الكثيف مباشرة عن طريق تفاعل التوليف عالي الحرارة ذاتي الانتشار تحت غاز النيتروجين عالي الضغط. ومع ذلك، فمن الصعب الحصول على سيراميك AlN كثيف بسبب تفاعل الاحتراق ذو درجة الحرارة العالية الذي يذوب فيه AlN الموجود في المادة الخام بسهولة ويمنع النيتروجين من اختراق الفراغ.

من بين عمليات التلبيد الخمس المذكورة أعلاه، يعد التلبيد بالضغط الساخن هو العملية الرئيسية لتحضير سيراميك AlN المكثف ذو الموصلية الحرارية العالية. ومع ذلك، فهي عملية أكثر تعقيدًا مع متطلبات معدات عالية وكفاءة إنتاج منخفضة، وبالتالي فإن التكلفة ترتفع بشكل طبيعي.

2. جو التلبد

حاليًا، هناك ثلاثة أجواء تلبيد لسيراميك AlN: جو محايد، جو مختزل، جو مختزل ضعيف. يستخدم الغلاف الجوي المحايد N2 شائع الاستخدام، ويستخدم الغلاف الجوي المختزل ثاني أكسيد الكربون، ويستخدم الغلاف الجوي الضعيف H2.

في الجو المختزل، يجب ألا يكون وقت التلبيد ووقت الاحتفاظ بسيراميك AlN طويلًا جدًا، ويجب ألا تكون درجة حرارة التلبيد مرتفعة جدًا لتجنب تقليل AlN. في الجو المحايد، لا يحدث الموقف المذكور أعلاه، لذا اختر عمومًا التلبيد في النيتروجين، وذلك للحصول على أداء أعلى لسيراميك AlN.

3. تمت إضافة إضافات التلبيد

في عملية تلبيد الركيزة الخزفية من نيتريد الألومنيوم، باستثناء العملية والجو الذي يؤثر على أداء المنتج، فإن اختيار إضافات التلبيد له أيضًا أهمية خاصة.

إضافات تلبيد AlN هي عمومًا أكاسيد فلز قلوي وأكاسيد فلز قلوي ترابي، ومضافات التلبيد لها دوران رئيسيان: من ناحية، تكوين مرحلة نقطة انصهار منخفضة، وتلبد الطور السائل، وتقليل درجة حرارة التلبد، وتعزيز تكثيف الفراغ. . من ناحية أخرى، الموصلية الحرارية العالية هي أداء مهم لركائز AlN. ونظراً لوجود عيوب مختلفة مثل شوائب الأكسجين، فإن التوصيل الحراري أقل من القيمة النظرية، ويمكن أن تتفاعل إضافة مساعد التلبيد مع الأكسجين لإكمال الشبكة وبالتالي تحسين التوصيل الحراري.

إن مساعدات التلبيد المستخدمة في تلبيد سيراميك AlN هي بشكل رئيسي Y₂O₃、CaO 、Yb₂O₃、 سم₂O₃、 لي₂O₃、B₂O₃、الكاف₂、واي إف₃、CaC_2, الخ أو مخاليطهم. يمكن أن يؤدي اختيار مساعدات التلبيد المركبة المتعددة في كثير من الأحيان إلى الحصول على تأثير تلبيد أفضل من مساعدات التلبيد المفردة، وتحقيق تلبيد AlN بدرجة حرارة منخفضة، وتقليل استهلاك الطاقة، وتسهيل الإنتاج المستمر. من أجل العثور على إضافات التلبيد المناسبة في درجات الحرارة المنخفضة، غالبًا ما يحتاج المصنعون إلى استثمار الكثير من الوقت والجهد في البحث والتطوير، لذلك سينعكس هذا الجزء أيضًا في سعر ركيزة AlN.

تمت إعادة طباعة هذه المقالة من 360powder.com