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氮化硅( Si3N4 )是一種由硅和氮組成的共價鍵化合物,1857 年被發現,到 1955 年,其作為陶瓷材料實現了大規模生產。氮化硅陶瓷具有金屬材料和高分子材料所不具備的眾多優點,如耐高溫(在 1200 ℃下抗彎強度可達 350 MPa 以上)、耐酸堿腐蝕、自潤滑等,在航空航天、國防軍工、機械領域得到廣泛應用。

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晶體結構?Si3N4
氮化硅陶瓷材料的優異特性隨著制備工藝的改進得到充分發掘,這使其成為歷史上研究最多的陶瓷材料之一,商業用途得到快速發展。20?世紀 80?年代后的進一步研究推動了氮化硅基材料在許多工業方面的應用,為研究不同應用領域的氮化硅陶瓷材料提供了指導。
制備氮化硅陶瓷材料首先需要獲得氮化硅粉體,再經過成型、燒結等工藝,最后得到所需要的氮化硅陶瓷,其中主要成型工藝有干壓成型、冷等靜壓成型、流延成型,主要燒結工藝有熱壓燒結、氣壓燒結(gas pressure sintering,GPS)、熱等靜壓燒結(hot isostatic pressure,HIP)、放電等離子燒結(spark plasma sintering,SPS)等。
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來源:中材高新
氮化硅粉體的制備
優異性能的氮化硅粉體是制備高性能氮化硅陶瓷的基礎,其主要制備方法有硅粉氮化法、液相反應法、自蔓延高溫合成法等。
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■ 硅粉氮化法
硅粉氮化法的基本原理是硅粉和氮氣、氨氣等含氮氣體在高溫下進行反應生成氮化硅,該方法具有產品性能穩定性好、成本低等優點,是應用最廣泛、技術最成熟的氮化硅粉體批量化生產方法。
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▲氮化反應過程示意圖
來源:https://hgxb.cip.com.cn/CN/10.11949/0438-1157.20210866
研究發現,添加 30%的氮化硅粉作為稀釋劑可以提高硅粉的氮化效率,氮化效率由原來的 68%?提高到 95%?以上。國內外工程化氮化過程中,都是添加了一定比例的氮化硅粉進行生產。目前我國上海駿宇陶塑制品有限公司、安陽亨利高科實業有限公司等企業,主要采用硅粉氮化法制備氮化硅粉。
■?液相反應法
液相反應法(又稱硅亞胺化學分解法)制備氮化硅粉的過程是將四氯化硅在零度干燥的乙烷中與一定量的無水氨氣發生反應,生成高純度的亞氨基硅和氨基硅,其在一定高溫下進行熱分解生成無定型的氮化硅,無定型的氮化硅進一步熱處理轉化成穩定?α?相的氮化硅。
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▲日本宇部液氨法制備氮化硅產品流程及產品圖
來源:https://hgxb.cip.com.cn/CN/10.11949/0438-1157.20210866
此方法最大的特點是化學反應激烈,生產速度快,可以獲得高純度氮化硅粉。但該方法制備難度大,技術門檻高,對原料的純度要求高,其難點在于不易獲得穩定的固態亞氨基硅(Si(NH)2)。日本 UBE 公司是最早,也是唯一使用該方法規模化生產出性能優異、質量穩定的氮化硅粉體產品的廠商。關于液相法的研究國內處于科研攻關階段,目前還未見批量化生產方面的報道。
■ 自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成法( self-propagation high-temperature synthesis,SHS)是近年來興起的一種制備無機化合物高溫材料新方法。其原理是依靠外部能量將金屬硅粉引燃,由于硅和氮氣的反應是放熱反應,反應物一旦被引燃,便會自動向尚未反應的區域傳播,直至反應完全。該方法合成氮化硅粉體反應速度快,粉體純度高,成本低廉,但制備過程可控性差,氮化硅粉體?α?相含量低。
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▲自蔓延燃燒反應合成氮化硅反應示意圖及產品形貌圖
來源:https://hgxb.cip.com.cn/CN/10.11949/0438-1157.20210866

硅粉氮化法是技術最成熟、應用最廣泛的氮化硅粉體批量化生產方法。德國的Alzchem、瑞典的H?gan?s(收購HC starck陶瓷粉末業務斯凱孚(收購VESTA Si)等國際著名粉體廠商均采用該方法批量化生產氮化硅粉。目前只有日本 UBE 公司掌握液相反應法制備技術。國內氮化硅粉企業有青島瓷興、衡陽凱新、新疆晶碩、河北高富等,多采用硅粉氮化法、自蔓延高溫合成法等方法制備。

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研究表明,顆粒形貌球形度越高、均勻性越好,越有利于氮化硅陶瓷燒結過程中顆粒重排,提高燒結致密性。目前我國在此領域與國外相比差距較大,工程化技術和質量控制技術亟待提升,高端粉料的使用還主要依賴于進口。所以制備高純、高?α?相含量、超細氮化硅粉體仍然是國內氮化硅粉生產商攻克的方向。
來源:陳波,韋中華等,氮化硅陶瓷在四大領域的研究及應用進展

8月28-30日,浙江正天、艾森達、臻璟科技、康柏工業陶瓷、金銳高、錦業源等氮化硅陶瓷基板/結構件、熱工裝備企業將參加艾邦第六屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會,地址:深圳國際會展中心7號館,歡迎各位行業朋友蒞臨參觀!

為加強陶瓷基板及其封裝行業上下游交流聯動,艾邦建有陶瓷基板產業群,歡迎涉及汽車、LED、5G、陶瓷封裝、陶瓷管殼、陶瓷基板及覆銅板生產企業;氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、玻璃粉等陶瓷材料企業;金屬銅箔、金屬焊料、金屬漿料等材料企業;陶瓷粉體生產配制設備、陶瓷流延機、拋光研磨設備、打孔設備、填孔設備、印刷機、鍍膜設備、顯影設備、燒結爐、釬焊爐、X-RAY、AOI、超聲波掃描顯微鏡、自動化組裝等加入微信群。
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推薦展會:第六屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會

同期舉辦:熱管理材料展

2024年8月28日-30日??

深圳國際會展中心7號館(寶安新館)
展出2萬平米、1,000個攤位、500多家展商、50,000名專業觀眾;匯聚IGBT/SiC功率半導體產業鏈;熱管理材料產業鏈,精密陶瓷、電子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷電路板、陶瓷封裝管殼、LTCC/HTCC/MLCC加工產業鏈等產業鏈上下游企業!

一、精密陶瓷產業鏈:

1、陶瓷器件及材料MLCC、LTCC、HTCC、微波介質陶瓷、壓電陶瓷、鈦酸鋇、碳酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、玻璃粉、氮化鋁、LTCC介質陶瓷粉體、稀土氧化物、生瓷帶等;

2、精密陶瓷:氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔、結構陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導體陶瓷(搬運臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環……)、3D打印陶瓷、燃料電池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纖陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

3、陶瓷基板及封裝外殼:陶瓷封裝外殼、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜電路板、厚膜電路板、陶瓷封裝基座、熱沉、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、莫來石粉體及基板等;

4、金屬材料:銀粉、金粉、銅粉、鎳粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用內/外電極漿料、LTCC銀漿、金漿、鎢鉬漿料、銅漿、靶材、無氧銅帶、可伐合金、金屬沖壓件等;

5、助劑:陶瓷和導電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤滑劑、燒結助劑等;

6、設備:

陶瓷加工設備:砂磨機、球磨機、真空脫泡機、三輥機、噴霧造粒機、干壓機、流延機、注塑機、3D打印機、模具、干燥設備、研磨機、精雕機、裁片機、激光設備、打孔機、填孔機、絲網印刷機、疊層機、層壓機、等靜壓機、熱切機、整平機、排膠爐、燒結爐、釬焊設備、電鍍設備、化學鍍、噴銀機、浸銀機、端銀機、真空鍍膜設備、顯影設備、去膜設備、蝕刻機、濕制程設備、等離子清洗、超聲波清洗、自動化設備、剝離強度測試儀、AOI檢測設備、打標機;

封裝測試設備:貼片機、引線鍵合機、封蓋機、平行縫焊封帽、切筋機、釬焊設備、激光調阻機、網絡分析儀、熱循環測試設備、測厚儀、氦氣檢漏儀、老化設備、外觀檢測、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測、激光打標、分選設備、測包編帶機等;

7、耗材:離型膜、載帶(塑料和紙質)、耐火材料、承燒板/匣缽(氧化鋁、剛玉莫來石、氮化硼等)、承燒網、發泡膠、研磨耗材(金剛石微粉、研磨液)、精密網版、清洗劑、電鍍藥水等。

二、熱管理產業鏈:

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1、熱管理材料:氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、石墨、碳納米管、空心玻璃微珠、導熱粉體、散熱基板、熱沉(鎢銅、鉬銅、氮化鋁、金剛石等)、鋁碳化硅AlSiC、相變材料、導熱凝膠、導熱界面材料、導熱墊片、導熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

2、散熱器件:半導體制冷片(TEC)、IGBT散熱器(銅、鋁)、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態金屬散熱器、插針式散熱器等;

3、設備:壓延機、涂布機、分條機、模切機、復卷機、切片機,CNC設備、壓鑄/沖壓設備、熱分析儀器、激光導熱儀、導熱系數儀、強度試驗機、檢測設備、自動化等。

三、功率半導體器件封裝產業鏈:

1、材料:碳化硅,陶瓷襯板(DBC、AMB)、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板(銅、鋁碳化硅AlSiC)、導熱硅凝膠、環氧灌封膠、焊料(預制焊片)、銀膜/銀膏、散熱器(銅、鋁)、功率引出端子(銅端子)、外殼(工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍)、清洗劑等;

2、設備及配件:真空焊接爐、貼片機、固晶機、引線鍵合機、X-ray、推拉力測試機、等離子清洗設備、點膠機、絲網印刷機、超聲波掃描設備、動靜態測試機、點/灌膠機、銀燒結設備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動封蓋設備、高速插針機、彎折設備、超聲波焊接機、視覺檢測設備、推拉力測試機、高低溫沖擊設備、功率循環測試設備、打標機、檢驗平臺、治具等;

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展會預定:

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