氮化矽(Si3N4)

氮化矽陶瓷藉由其優異的材料特性,如:硬度及機械強度高、熱膨脹係數小、高溫潛變小、抗氧化性能好、耐腐蝕、自潤滑、高破斷韌性等諸多優異性能,在精密機械、冶金、航空航太、化工、生醫等領域得到廣泛應用,其應用產品如切削刀具、陶瓷軸承、耐火材、引擎高溫噴嘴等。
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材質特性

                對於高功率的半導體產業,目前已有許多特殊陶瓷基板材料的需求,如陶瓷基板材料有AlN氮化鋁及Si3N4氮化矽材料。α-Al2O3氧化鋁為相當常見的結構陶瓷材料,但熱傳導率僅 20~30 W/m·K,且熱膨脹係數較高並不適用於發熱量極高的高功率元件環境;取而代之的就有AlN氮化鋁及Si3N4氮化矽材料:AlN氮化鋁的熱傳導係數可以高達150~230 W/m·K,並且熱膨脹係數為 4.6×10-6/K,有接近第三代半導體材料SiCGaN的熱膨脹係數的優點,然而其抗折強度 350 MPa及破斷韌性 2.7 MPa·m1/2,導致可靠度的表現較低,故AlN氮化鋁機械強度是需要改善及發展的方向;Si3N4氮化矽材料具有優異的抗折強度 600~800 MPa及破斷韌性 6.0~8.0 MPa·m1/2,故在冷熱衝擊循環測試條件下,具有5,000次以上的優異可靠度表現。

 

材質應用

   氮化矽陶瓷材料具有熱穩定性高、抗氧化能力強以及產品尺寸精確度高等優良性能。由於氮化矽是鍵強高的共價化合物,並在空氣中能形成氧化物保護膜,所以還具有良好的化學穩定性1200℃以下不被氧化,1200~1600℃生成保護膜可防止進一步氧化,並且不被鋁、鉛、錫、銀、黃銅、鎳等很多種熔融金屬或合金所浸潤或腐蝕,但能被鎂、鎳鉻合金、不鏽鋼等熔液所腐蝕。
               氮化矽陶瓷材料可用於高温工程的部件,冶金工業等方面的高級耐火材料,化工工業中抗腐蝕部件和密封部件,機械加工工業的刀具和刃具等。由於氮化矽與碳化矽、氧化鋁二氧化釷氮化硼等能形成很強的結合,所以可用作結合材料,以不同配比進行改性。
                 此外,氮化矽還能應用到太陽能電池中。用PECVD法鍍氮化矽膜後,不但能作為減反射膜可減少入射光的反射,而且,在氮化矽薄膜的沉積過程中,反應產物氫原子進入氮化矽薄膜以及矽片內,起到了鈍化缺陷的作用。這裡的氮化矽氮矽原子數目比並不是嚴格的4:3,而是根據工藝條件的不同而在一定範圍內波動,不同的原子比例對應的薄膜的物理性質有所不同。

 

 

 


材質數據

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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