Silikon karbid (SiC) seramikleriDüşük termal genişleme, yüksek termal iletkenlik, yüksek sertlik, güçlü termal istikrar,ve olağanüstü korozyon direnciSiC seramikleri, yarı iletken imalatı, havacılık, enerji, mekanik mühürleme, yüksek sıcaklıkta işleme ve diğer zorlu endüstrilerde önemli mühendislik malzemeleri haline geldi.

Bununla birlikte, silikon karbid seramiklerinin işlenmesini her zaman sınırlayan bir zorluk vardı:

SiC'nin geleneksel sinterleme yoluyla tamamen yoğunlaşması son derece zordur.

Bu, esas olarak silikon karbidinin güçlü kovalent bağlanması ve nispeten düşük atom difüzyon hızından kaynaklanır.

Bu kısıtlamanın üstesinden gelmek için, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birkaç SiC sinterleme teknolojisi geliştirildi:

• Reaksiyon bağlı sinterleme
• Basınçsız katı hal sinterleme
• Basınçsız sıvı fazlı sinterleme
• Sıcak presleme
• Yeniden kristalleme sinterleme

Her işlem, gözenekliliği azaltmak, parçacık bağlamasını iyileştirmek ve SiC seramik bileşenlerinin nihai mikrostrukturunu kontrol etmek için farklı bir mekanizma kullanır.

Silikon Karbid Neden Sinterlenmesi Zor?

Silikon karbidinin mükemmel özellikleri, güçlü Si-C kovalent bağlarıyla yakından ilgilidir.

Bu bağlar SiC'ye yüksek sertlik, mükemmel termal direnç ve olağanüstü kimyasal istikrar sağlar.Sinterleme sürecinde atom hareketliliğini büyük ölçüde azaltırlar..

Geleneksel seramik sinterlemede, yoğunlaşma aşağıdaki gibi mekanizmalara bağlıdır:

• Yüzey diffuzyonu
• Tahıl sınırında yayılma
• Döşeme difüzyonu
• Parçacık yeniden düzenlenmesi
• Tahıl büyümesi

SiC için, bu difüzyon süreçleri çok yüksek sıcaklıklarda bile nispeten yavaştır.

Sinterleme sıcaklığını arttırmak genellikle ideal bir çözüm değildir çünkü aşırı sıcaklıklar anormal tahıl büyümesine, çürümesine, süblimasyonuna,veya üretim maliyetlerinin artması.

Sonuç olarak, endüstriyel SiC seramik üretimi genellikle aşağıdakiler gibi bir veya daha fazla ek yoğunlaşma mekanizması gerektirir:

• Sinterleyici katkı maddeleri
• Sıvı faz oluşumu
• Dış basınç
• Silikon sızması
• Buharlama-kondansiye mekanizmaları

Bu mekanizmalar bugün kullanılan büyük SiC sinterleme teknolojilerinin temelini oluşturur.

1Reaksiyon Bağlı Silikon Karbürü

Reaksiyon bağlı silikon karbür genellikle RB-SiC veya RBSiC olarak bilinir.

Süreç genellikle bir karışımla başlar:

• Silikon karbid tozu
• Karbon
• Organik bağlayıcılar

Karışım gözenekli yeşil bir vücuda dönüşür.

Yüksek sıcaklıkta işlenirken, erimiş silikon yeşil gövdenin gözeneklerine nüfuz eder ve karbonla reaksiyona girer:

Si + C → SiC

Bu reaksiyon, orijinal SiC parçacıklarını birbirine bağlayan ikincil silikon karbürü oluşturur.

Geri kalan serbest silikon daha sonra kalan gözeneklerin bir kısmını doldurur ve seramik gövdenin nispeten yüksek yoğunluğa ulaşmasına izin verir.

Yeşil Vücut Gözenekliliği Kritiktir

Reaksiyona bağlı SiC üretiminde en önemli faktörlerden biri yeşil cisimin gözenekliğini kontrol etmektir.

Yeşil gövde çok yoğunsa, erimiş silikon iç yapıya tam olarak nüfuz edemeyebilir.

Bu durumda, seramik dış bölgesi, reaksiyona girmemiş karbon ve kalıntı gözeneklerin bileşen içinde kalırken başarılı bir şekilde tepki verebilir.

Bu nedenle, üreticilerin dikkatlice kontrol etmesi gerekir:

• SiC-karbon oranı
• SiC parçacık boyutu
• Parçacık boyutu dağılımı
• Karbon parçacık morfolojisi
• Basınç oluşturma
• Yeşil yoğunluk
• Enfiltrasyon sıcaklığı
• Silikon sızdırma süresi

Reaksiyona bağlı SiC'nin avantajları

Reaksiyon bağının en büyük avantajlarından biri çok düşük boyutlu küçülmesidir.

Sinterleme sırasında sınırlı bir küçülme olduğu için, RB-SiC özellikle üretim için uygundur:

• Büyük seramik bileşenler
• Karmaşık şekiller
• İnce duvarlı yapılar
• Sıcaklık değiştiricisi bileşenleri
• Çömlek ruloları
• Fırlatma fıskiyeleri
• Fırın bileşenleri
• Yarım iletken ekipman destekleri

Bu neredeyse net şekil yeteneği, sinterlendikten sonra işleme gereksinimlerini önemli ölçüde azaltabilir.

Sınırlama: Geri kalan serbest silikon

Geleneksel reaksiyon bağlı SiC tipik olarak belirli miktarda kalıntı serbest silikon içerir.

Serbest silikon varlığı aşağıdakileri etkileyebilir:

• Maksimum çalışma sıcaklığı
• Kimyasal direnci
• Plazma direnci
• Isı performansı
• Yarım iletken süreç uyumluluğu

Yarım iletken ekipman uygulamaları için, hem serbest silikon içeriği hem de toplam kirlilik seviyeleri dikkatli bir kontrol gerektirir.

2Basınçsız Sintered Silikon Karbür

Basınçsız sinterleme, yüksek performanslı silikon karbid seramikleri için başka önemli bir üretim yöntemidir.

Sıcak preslemenin aksine, bu işlem sinterleme sırasında sürekli dış mekanik baskı gerektirmez.

Basınçsız SiC sinterleme genellikle iki kategoriye ayrılabilir:

Katı hal sinterleme

ve

Sıvı fazlı sinterleme.

Katı Hal Sinterleme

SiC'nin katı halinde sinterlenmesi genellikle küçük miktarlarda sinterleme katkı maddeleri gerektirir.

Genel katkı sistemleri şunları içerir:

• Bor ve karbon
• B4C
• Alüminyum ve karbon
• AlN ve karbon

Klasik B-C sistemi, silikon karbidinin yoğunlaşmasını teşvik etmek için yaygın olarak kullanılır.

Katı hal sinterleme normalde yaklaşık 1900 ° C'den 2100 ° C'ye kadar gerçekleştirilir, ancak kesin koşullar toz özelliklerine, katkı maddelerine, atmosfere ve hedef özelliklerine bağlıdır.

Neden Katı Hal Sinterli SiC Kullanılır?

Önemli bir avantaj, yüksek sıcaklıklarda mükemmel bir kararlılıktır.

Malzeme normalde düşük erimeli taneler sınır fazını çok az içerdiği için, katı hal sinterli SiC, yüksek sıcaklıklarda mükemmel mekanik ve termal özellikleri koruyabilir.

Bu, aşağıdakiler için çok uygun:

• Mekanik mühürler
• Kullanıma dayanıklı bileşenler
• Lageranlar
• Yüksek sıcaklıklı yapısal parçalar
• Korozyona dayanıklı bileşenler
• Hassas seramik bileşenler
• Yarım iletken ekipmanlarının parçaları

Üretimdeki Ana Zorluklar

Katı hal sinterlemesinin de birkaç sınırlaması vardır.

İlk olarak, gerekli sinterleme sıcaklığı yüksektir.

2000°C'ye yakın veya yukarıda çalışmak, enerji tüketimini arttırır ve aşağıdakilere karşı sıkı gereksinimler ortaya koyar:

• Fırın malzemeleri
• Isı yalıtımı
• Atmosfer kontrolü
• Sıcaklık eşitliği
• Süreç istikrarı

İkincisi, aşırı sıcaklık veya bekleme süresi normal olmayan tahıl büyümesine neden olabilir.

Bu, dayanıklılığı, güvenilirliği ve mikrostrüktür tekdüzeliğini olumsuz yönde etkileyebilir.

Hammaddelerin kalitesi de son derece önemlidir.

Önemli toz parametreleri şunlardır:

• Saflık
• Ortalama parçacık boyutu
• Parçacık boyutu dağılımı
• Parçacık morfolojisi
• Yüzey kimyası
• Karıştırma tekdüzeliği

Yüksek performanslı SiC seramikleri için, toz kalitesi nihai elde edilebilir özellikleri güçlü bir şekilde etkiler.

Sıvı Fazlı Sinterleme

Sıvı fazlı sinterleme, yüksek sıcaklıklarda az miktarda sıvı oluşturan katkı maddeleri kullanır.

Bu sıvı faz, parçacık yeniden düzenlenmesini iyileştirmeye yardımcı olur ve SiC parçacıkları arasındaki malzeme taşımacılığını önemli ölçüde artırır.

Sonuç olarak, yoğunlaşma geleneksel katı hal sinterleme ile karşılaştırıldığında daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilir.

Geniş çapta kullanılan bir sistem şunlardır:

Al2O3-Y2O3

Isıtma sırasında, bu oksitler SiC parçacıkları üzerindeki yüzey oksit katmanlarıyla etkileşime girebilir ve sıvı bir faz oluşturabilir.

Sıvı faz parçacıkları ıslatır, yeniden düzenlenmeyi iyileştirir ve hızlı bir difüzyon yolu yaratır.

Yoğunlaşma mekanizması tipik olarak çözünme ve yeniden yazılım yoluyla kontrol edilir.

Sıvı Fazlı Sinterlemenin Avantajları

Önemli faydalar şunlardır:

• Daha düşük sinterleme sıcaklığı
• Daha hızlı yoğunlaşma
• Yüksek nihai yoğunluk
• Kırık dayanıklılığının potansiyel iyileştirilmesi
• Mikrostructure kontrolü daha iyi

Hem sertliğin hem de sertliğin önemli olduğu uygulamalar için, sıvı fazlı sinterleme çekici bir denge sağlayabilir.

Katkı maddelerinin içeriğini neden kontrol altında tutmalıyız?

Daha fazla sıvı faz, daha iyi performans anlamına gelmez.

Aşırı tahıl sınır aşamaları aşağıdakileri azaltabilir:

• Yüksek sıcaklık dayanıklılığı
• Isı iletkenliği
• Kimyasal direnci
• Plazma direnci
• Elektrik performansı
• Saflık

Bu nedenle, yarı iletken sınıfı SiC seramik bileşenleri için, hem sinterleme katkı maddeleri türü hem de miktarı kritik malzeme özellikleri haline gelebilir.

3. Sıcak Basılmış Silikon Karbid

Sıcak presleme, yüksek sıcaklığı dış mekanik basınçla birleştirir.

İşleme sırasında, SiC tozu yüksek dayanıklılıklı bir grafit kalıbına yüklenir.

Malzeme tek eksenli basınç uygulanırken ısıtılır.

Dış basınç parçacık temasını arttırır ve teşvik eder:

• Parçacık yeniden düzenlenmesi
• Plastik deformasyon
• Difüzyon
• Tahıl sınır hareketleri
• Gözenek eliminasyonu

Sıcaklık ve basınç birlikte çalıştığı için, sıcak presleme, basınçsız birçok işlemle karşılaştırıldığında daha kısa bir sinterleme süresi içinde çok yüksek yoğunluğa ulaşabilir.

Genel katkı maddeleri şunları içerebilir:

• B
• B4C
• Al
• Al2O3
• AlN
• B + C sistemleri

Formüleye bağlı olarak, katkı maddeleri sıvı faz oluşumunu teşvik edebilir veya taneler sınırını ve katı çözeltinin davranışını değiştirebilir.

Sıcak basınçlı SiC'nin avantajları

Sıcak presleme ile SiC seramikleri elde edilebilir:

• Yüksek göreceli yoğunluk
• İnce taneler
• Düşük gözeneklilik
• Yüksek mekanik dayanıklılık
• Ünlü mikroyapı

Bu özellikler özellikle hassas bileşenler için değerlidir.

Yarım iletken üretimi ekipmanlarında, seramik bileşenler üzerinde sıkı bir kontrol gerekebilir:

• yoğunluk
• Saflık
• Parçacık üretimi
• Boyut sabitliği
• Termal genişleme
• Yüzey kalitesi

Bu tür uygulamalar için, malzeme performansı minimum üretim maliyetinden önemli ölçüde daha önemlidir.

Sıcak Presleme Sınırları

Bu işlemin açık dezavantajları da var.

Basınç tipik olarak tek yönde uygulandığı için, sıcak basılmış bileşenlerin geometri kalıbı ve baskı yönü ile sınırlıdır.

Üretimi daha zor:

• Çok karmaşık üç boyutlu şekiller
• Büyük ince duvarlı parçalar
• Karmaşık iç yapıları olan bileşenler

Diğer dezavantajlar şunlardır:

• Daha yüksek ekipman maliyeti
• Pahalı grafit aletleri
• Daha düşük üretim verimliliği
• Sınırlı bileşen boyutu

Bu nedenle, olağanüstü malzeme performansı gerektiren yüksek değerli bileşenler için sıcak presleme yaygın olarak kullanılır.

4- Yeniden kristalleşmiş silikon karbür.

Genellikle R-SiC olarak bilinen yeniden kristalleştirilmiş silikon karbid, farklı bir sinterleme mekanizması kullanır.

Kaba ve ince SiC tozları önce kontrol edilen parçacık boyutu dağılımında karıştırılır.

Daha sonra karışım aşağıdaki işlemlerle oluşturabilir:

• Kaydırma
• Basmak
• Ekstrüzyon

Yeşil vücut daha sonra inert bir atmosferde yaklaşık 2200 °C ila 2450 °C ısıtıldı.

Bu son derece yüksek sıcaklıklarda, ince SiC parçacıkları kısmen buharlaşır veya süblimasyon yapar.

Buhar fazlı türler daha büyük SiC tanelerinin temas noktalarının etrafında yoğunlaşır.

Bu buharlaşma-kondansiye mekanizması güçlü parçacık bağları yaratır ve üç boyutlu bir SiC yapısı oluşturur.

Neden yeniden kristalleştirilmiş SiC yüksek saflıklı uygulamalar için çekici?

R-SiC'nin önemli bir avantajı, geleneksel sinterleme yardımcılarının genellikle gereksiz olmasıdır.

Bu, özellikle metal kirliliklerin, oksit katkı maddelerinin veya tahıl sınır fazlarının en aza indirgenmesi gereken uygulamalarda önemlidir.

Yeniden kristalleşmiş SiC, işleme sırasında çok az küçülmeye de maruz kalır.

Bu da onu üretmek için uygun kılar:

• Büyük bileşenler
• Karmaşık yapılar
• Yüksek boyutlu hassasiyetli parçalar
• Fırın bileşenleri
• Gözenekli SiC yapıları

Kontrol Edilen Gözeneklilik Fayda Verebilir

Yüksek yoğunlukta sinterlenmiş SiC'nin aksine, yeniden kristalleşmiş SiC genellikle kontrol edilen bir ara bağlantılı gözenek yapısı içerir.

Bazı uygulamalarda, bu gözeneklilik bir kusur değildir.

Bunun yerine:

• Gaz geçirgenliği
• Filtrasyon
• İkincil fazlı sızıntı
• Kaplama nüfuzu
• Kompozit üretim

Bu nedenle, R-SiC ve tam yoğun SiC seramikleri genellikle farklı mühendislik gereksinimlerine hizmet eder.

Ana SiC Sinterleme Teknolojilerinin Karşılaştırılması

SiC Sinterleme Teknolojisi Nasıl Seçilmelidir?

Her uygulama için ideal olan tek bir SiC sinterleme süreci yoktur.

Doğru işlem, nihai bileşen gereksinimlerine göre seçilmelidir.

Büyük ve geometrik olarak karmaşık SiC bileşenleri için, reaksiyon bağlı SiC, düşük küçülmesi ve neredeyse ağ şeklinde yeteneği nedeniyle genellikle caziptir.

Mükemmel yüksek sıcaklık dayanıklılığı ve kimyasal istikrar gerektiren uygulamalar için, katı hal sinterli SiC daha uygun olabilir.

Eğer öncelik daha düşük sinterleme sıcaklığı ve daha iyi sertlik ile yüksek yoğunluksa, sıvı faz sinterleme avantaj sağlayabilir.

Çok yüksek yoğunluk, ince taneler yapısı ve üstün mekanik özellikler gerektiren bileşenler için, sıcak presleme etkili bir çözüm olabilir.

Yüksek saflık, büyük, düşük küçülme veya kontrollü gözenekli bileşenler için, yeniden kristalleştirilmiş SiC önemli bir malzeme seçeneği olmaya devam ediyor.

Neden Yarım iletken uygulamaları SiC yoğunlaşmasının tanımını değiştiriyor

Geleneksel olarak, silikon karbid seramikler genellikle çoğunlukla yoğunluk, sertlik ve mekanik dayanıklılığa göre değerlendirilirdi.

Bununla birlikte, yarı iletken üretiminde, sadece yoğunluk artık yeterli değildir.

Gelişmiş yarı iletken ekipmanları içinde kullanılan SiC seramik bileşenleri ayrıca aşağıdakilerin sıkı kontrolüne ihtiyaç duyabilir:

Saflık

Metal kirlilikler ve hareketli iyonlar, wafer işleme sırasında kontaminasyon kaynakları olabilir.

Serbest Silikon İçeriği

Reaksiyona bağlı SiC için, kalıntı silikon yüksek sıcaklıkta davranış, kimyasal direnç ve plazma uyumluluğunu etkileyebilir.

Gözeneklilik

Açık gözenekler temizlik verimliliğini, kimyasal nüfuzu, kirliliğin tutulmasını ve parçacık üretimini etkileyebilir.

Tahıl Boyutu

Tahıl yapısı mekanik özellikleri, işleme davranışını, yüzey finişini ve malzeme tutarlılığını etkiler.

Isı İleticiliği

Yüksek ısı iletkenliği, yüksek sıcaklıklı işleme ve yüksek güçlü yarı iletken ekipmanlarda özellikle önemlidir.

Termal Genişleme

Sabit termal genişleme davranışı, ısıtma ve soğutma döngüleri sırasında boyut değişikliklerini ve termal stresini azaltmaya yardımcı olur.

Plazma korozyon direnci

Çizme ve deppozisyon ekipmanları için, flor ve klor bazlı plazma ortamlarına direnç, bileşen ömrünü doğrudan etkileyebilir.

Yüzey Parçacıkları Üretimi

Bir seramik malzemenin mükemmel toplu özellikleri olabilir, ancak yüzeyi çalışma sırasında parçacıklar salırsa yine de yarı iletkenlik gereksinimlerini karşılamaz.

Bu, gelişmiş SiC seramiklerinin geliştirilmesinin, sadece maksimum yoğunluğu takip etmekten daha kapsamlı bir hedefe doğru yavaş yavaş kaydığı anlamına gelir:

Yüksek saflık + yüksek yoğunluk + kontrollü mikrostructure + düşük parçacık üretimi + yüksek boyutlu istikrar

Sonuçlar

Silikon karbidinin yoğunlaşmasının zorluğu, SiC'ye olağanüstü özelliklerini veren aynı güçlü kovalent bağdan kaynaklanır.

Farklı sinterleme teknolojileri bu sorunu farklı mekanizmalar aracılığıyla çözüyor.

Reaksiyon bağı silikon sızdırmasını ve kimyasal reaksiyonu kullanır.

Katı hal sinterleme, seçilen katkı maddeleri tarafından desteklenen yüksek sıcaklıkta difüzyona dayanır.

Sıvı fazlı sinterleme hızlı malzeme taşıma yolları yaratır.

Sıcak presleme yoğunlaşmayı hızlandırmak için sıcaklık ve mekanik basıncı birleştirir.

Yeniden kristalleştirme, geleneksel sinterleme yardımcıları olmadan güçlü SiC parçacık bağını oluşturmak için bir buharlaşma-kondansiyon mekanizması kullanır.

Bu farklı yollar, saflık, yoğunluk, gözeneklilik, taneler yapısı, termal performans ve üretim esnekliğinin farklı kombinasyonlarına yol açar.

Yarım iletken levhaların büyüklüğü artmaya devam ettiği ve yarım iletken işlemlerinin daha yüksek sıcaklıklar, daha az kirlilik ve daha iyi boyutsal istikrar gerektirdiği için,silikon karbit seramikleri yarı iletken üretim ekipmanlarında giderek daha önemli hale geliyor.

Bu nedenle, gelişmiş SiC seramiklerinde gelecekteki rekabet sadece en yüksek yoğunluğa ulaşmakla ilgili olmayacaktır.

Temizlik, yoğunlaşma, mikrostructure, termal performans, yüzey kalitesi ve süreç uyumluluğu arasındaki en iyi dengeyi her özel uygulama için elde etmekle ilgilidir.