氮化硅(Si3N4)

氮化矽陶瓷藉由其优异的材料特性,如:硬度及机械强度高、热膨胀系数小、高温潜变小、抗氧化性能好、耐腐蚀、自润滑、高破断韧性等诸多优异性能,在精密机械、冶金、航空航太、化工、生医等领域得到广泛应用,其应用产品如切削刀具、陶瓷轴承、耐火材、引擎高温喷嘴等。
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材质特性

                对于高功率的半导体产业,目前已有许多特殊陶瓷基板材料的需求,如陶瓷基板材料有AlN氮化铝及Si3N4氮化矽材料。α-Al2O3氧化铝为相当常见的结构陶瓷材料,但热传导率仅 20~30 W/m·K,且热膨胀系数较高并不适用于发热量极高的高功率元件环境;取而代之的就有AlN氮化铝及Si3N4氮化矽材料:AlN氮化铝的热传导系数可以高达150~230 W/m·K,并且热膨胀系数为 4.6×10-6/K,有接近第三代半导体材料SiCGaN的热膨胀系数的优点,然而其抗折强度 350 MPa及破断韧性 2.7 MPa·m1/2,导致可靠度的表现较低,故AlN氮化铝机械强度是需要改善及发展的方向;Si3N4氮化矽材料具有优异的抗折强度 600~800 MPa及破断韧性 6.0~8.0 MPa·m1/2,故在冷热冲击循环测试条件下,具有5,000次以上的优异可靠度表现。

 

材质应用

   氮化矽陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化矽是键强高的共价化合物,并在空气中能形成氧化物保护膜,所以还具有良好的化学稳定性1200℃以下不被氧化,1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化,并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀,但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。
               氮化矽陶瓷材料可用于高温工程的部件,冶金工业等方面的高级耐火材料,化工工业中抗腐蚀部件和密封部件,机械加工工业的刀具和刃具等。由于氮化矽与碳化矽、氧化铝二氧化钍氮化硼等能形成很强的结合,所以可用作结合材料,以不同配比进行改性。
                 此外,氮化矽还能应用到太阳能电池中。用PECVD法镀氮化矽膜后,不但能作为减反射膜可减少入射光的反射,而且,在氮化矽薄膜的沉积过程中,反应产物氢原子进入氮化矽薄膜以及矽片内,起到了钝化缺陷的作用。这里的氮化矽氮矽原子数目比并不是严格的4:3,而是根据工艺条件的不同而在一定范围内波动,不同的原子比例对应的薄膜的物理性质有所不同。

 

 

 


材质数据

Properties

Units

Silicon Nitride(Si3N4)

 

RBSN

SSN

HPSN

 
 

Mechanical

Density

g/cm3

2.3

3.2

3.3

 

Color

—

Gray

Gray

Gray

 

Water

Absorption

%

0

0

0

 

Hardness

Gpa

12.7

14

14

 

Flexural

Strength

(20°C)

Mpa

190

700-800

700-950

 

Compressive

Strength

(20°C)

Mpa

2500

3200

3200

 

Thermal

Thermal

Conductivity

(20°C)

W/m°k

14

26-42

35-42

 

Thermal

Shock

Resistance

(20°C)

∆T(°C)

330

530-610

540-650

 

Maximum

Use

Temperature

°C

1400

1400

1400

 

Electrical

Volume

Resistivity

(20°C)

Ω-cm

>1012

>1012

>1012

 

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