اس وقت، چین اور بیرونی ممالک میں کمرشل ہائی تھرمل چالکتا Si3N4 سیرامک ​​سبسٹریٹ کے درمیان اب بھی فرق ہے۔ لہذا، اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ Si3N4 سیرامک ​​سبسٹریٹ کی تحقیق اور ترقی یقینی طور پر چین میں IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ٹیکنالوجی کی عظیم ترقی کو فروغ دے گی، اور نئی توانائی جیسے اعلیٰ درجے کے شعبوں میں ایک پیش رفت کرے گی۔

حالیہ برسوں میں، سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹ مواد کی اصل تھرمل چالکتا کو مسلسل بہتر بنایا گیا ہے، لیکن نظریاتی تھرمل چالکتا کے ساتھ اب بھی ایک بڑا خلا موجود ہے۔ فی الحال، ادب سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہتر بنانے کے طریقوں کی اطلاع دیتا ہے، جیسے جالی آکسیجن کے مواد کو کم کرنا، کرسٹل کی تبدیلی کو فروغ دینا، اناج کی دشاتمک نشوونما کو محسوس کرنا وغیرہ۔ یہ مقالہ اس بات کی وضاحت کرتا ہے کہ کس طرح سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہتر بنایا جائے اور بڑے پیمانے پر پیداوار کی مولڈنگ ٹیکنالوجی کا احساس کیا جائے، اندرون اور بیرون ملک اعلی تھرمل چالکتا سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تحقیقی پیشرفت پر توجہ دی جائے۔

1 جالی آکسیجن کا اثر

سلکان نائٹرائڈ کا مرکزی حرارت کی منتقلی کا طریقہ کار جالی کمپن ہے، جو فونون کے ذریعے حرارت چلاتا ہے۔ جالی کی کمپن لکیری نہیں ہے، اور جالیوں کے درمیان ایک خاص جوڑے کا اثر ہوتا ہے۔ فونون ایک دوسرے سے ٹکرا جائیں گے، جس سے فونوں کا اوسط مفت راستہ کم ہو جائے گا۔ اس کے علاوہ، Si3N4 کرسٹل میں تمام قسم کے نقائص، نجاست اور اناج کے انٹرفیس فونون کے بکھرنے کا سبب بنیں گے، جو کہ فونون مطلب مفت راستے کی کمی کے مترادف ہے، اس طرح تھرمل چالکتا میں کمی آئے گی۔ تصویر 3 میں سلیکون نائٹرائڈ کا مائیکرو اسٹرکچر دکھایا گیا ہے۔

تصویر 3 سیلیکون نائٹرائڈ سنٹرڈ باڈی کا مخصوص مائکرو اسٹرکچر

نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جالی آکسیجن بہت سے جعلی نقائص کے درمیان سلیکن نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو متاثر کرنے والے اہم نقائص میں سے ایک ہے۔ sintering کے عمل میں، مندرجہ ذیل ٹھوس حل ردعمل آکسیجن میں جگہ لے گا:

2 ایس آئی او2→ 2SiSi + 4 اوN+VSi    (1)

رد عمل میں، سلکان کی خالی جگہیں پیدا ہوتی ہیں، اور جوہری متبادل کرسٹل کے کچھ بگاڑ کا سبب بنے گا، جو فونون کے بکھرنے کا سبب بنے گا، اس طرح Si3N4 کرسٹل کی تھرمل چالکتا کم ہو جائے گی۔

Kitayama et al. دو پہلوؤں سے Si3N4 کرسٹل کی تھرمل چالکتا کو متاثر کرنے والے عوامل کا منظم طریقے سے مطالعہ کیا: جالی آکسیجن اور گرین باؤنڈری فیز، اور پتہ چلا کہ Si3N4 کرسٹل کا سائز مندرجہ بالا عوامل کے اثر کی ڈگری کو تبدیل کر دے گا۔ جب اناج کا سائز 1μm سے کم ہوتا ہے تو، جالی آکسیجن کی موٹائی اور اناج کی حد کا مرحلہ تھرمل چالکتا کو متاثر کرنے والے اہم عوامل بن جائیں گے۔ جب اناج کا سائز 1μm سے بڑا ہوتا ہے تو، جالی آکسیجن تھرمل چالکتا کو متاثر کرنے والا اہم عنصر ہوتا ہے۔ تاہم، اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تیاری کے لیے بڑے کرسٹل اناج کی ضرورت ہوتی ہے۔ لہذا، جالی آکسیجن کے مواد کو کم کرکے اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ تیار کرنا خاص طور پر اہم ہے۔ جالی آکسیجن کے مواد کو کم کرنے کے مؤثر طریقے درج ذیل پہلوؤں سے بیان کیے گئے ہیں: خام مال کا انتخاب، سنٹرنگ ایڈز کا انتخاب اور تیاری کے عمل میں کاربن کی کمی۔

1.1خام مال کا انتخاب

سلکان نائٹرائڈ کرسٹل جالی میں آکسیجن کے مواد کو کم کرنے کے لیے، خام پاؤڈر سے ناپاک آکسیجن مواد کو کم کرنا ضروری ہے۔ اس وقت، دو طریقے ہیں: ایک یہ ہے کہ کم آکسیجن والے سی پاؤڈر کو خام مال کے طور پر استعمال کیا جائے، اور سی پاؤڈر کی نائٹرائڈنگ اور دوبارہ سنٹرنگ کے دو مراحل کے ذریعے اعلی کثافت اور اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ Si3N4 سیرامکس حاصل کریں۔ Si پاؤڈر اور سنٹرنگ ایڈ پر مشتمل Si کے گھنے جسم کو نائٹروجن ماحول میں Si (1414℃) کے پگھلنے کے مقام کے قریب درجہ حرارت پر گرم کیا جاتا ہے، تاکہ Si نائٹرائیڈ ہو جائے اور غیر محفوظ Si3N4 سنٹرڈ باڈی میں تبدیل ہو جائے، جسے مزید گرم کیا جاتا ہے۔ غیر محفوظ Si3N4 کو گھنے Si3N4 سیرامکس میں سنٹر کرنے کے لیے زیادہ درجہ حرارت۔ دوسرا اعلی طہارت α-Si3N4 پاؤڈر کے ساتھ کم آکسیجن مواد کے ساتھ sintering ہے، یا β-Si3N4 کے ساتھ براہ راست sintering ہے۔

جاپان کے Zhou اور Zhu نے خام مال کے طور پر Si پاؤڈر کے ساتھ SRBSN عمل کے ذریعے 150 W/(mk) سے زیادہ تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی ایک سیریز تیار کی ہے۔ اعلی تھرمل چالکتا کی بنیادی وجہ یہ ہے کہ عام تجارتی α-Si3N4 پاؤڈر کے مقابلے میں، نائٹرائڈنگ کے بعد Si پاؤڈر میں آکسیجن کی مقدار اور نجاست کم ہوتی ہے۔

پارک وغیرہ۔ سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا پر خام مال سی پاؤڈر کے ذرہ سائز کے اثر و رسوخ کا مطالعہ کیا، اور پتہ چلا کہ سی کے ذرہ سائز میں کمی سلیکون نائٹرائڈ چینل کو تنگ کر سکتی ہے، جو سینٹرنگ میں سوراخوں کے خاتمے کے لیے موزوں ہے۔ عمل، اس طرح اعلی کثافت سلکان نائٹرائڈ سیرامکس حاصل کرنا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جب سی پاؤڈر کو 1μm تک کم کیا جاتا ہے، تو سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی نسبتہ کثافت 98 فیصد سے زیادہ تک پہنچ سکتی ہے۔ تاہم، SRBSN کے ذریعے خام مال کے ذرہ سائز کو کم کرنے کے عمل میں، خام مال کی سطح کو آسانی سے آکسائڈائز کیا جاتا ہے، اور خام مال میں جالی آکسیجن کی مقدار میں اضافہ ہوتا ہے۔

Guo et al. خام مال کے طور پر Si پاؤڈر اور α-Si3N4 کے ساتھ ایک تقابلی تجربہ کیا۔ یہ پایا گیا ہے کہ کم آکسیجن مواد (3%، بڑے پیمانے پر حصہ) کے ساتھ Si4N0.36 پاؤڈر نائٹرائڈنگ Si پاؤڈر کے ذریعے حاصل کیا جا سکتا ہے، اور 66.5 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​کو بغیر پریشر کے سنٹرنگ کے ذریعے تیار کیا جا سکتا ہے۔ انہی حالات میں، α-Si3N4 سے بنے سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا صرف 56.8 W/(mk) ہے۔

اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو بھی خام مال کے طور پر اعلی طہارت α-Si3N4 پاؤڈر استعمال کرکے تیار کیا جاسکتا ہے۔ Duan et al. بالترتیب 3g cm-4، 3.20w/(mk)، 3 MPa، 60mpa m668/5.13 اور 1 GPa کی کثافت، تھرمل چالکتا، موڑنے کی طاقت، فریکچر سختی اور Vickers کی سختی کے ساتھ α-Si2N15.06 سیرامکس تیار کیا۔ کم وغیرہ۔ α-Si78.8N3 سے 4 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کیا گیا۔

Liu Xingli et al. β-Si108N626/α-Si3N4 پاؤڈر کے مختلف تناسب کو ابتدائی مواد کے طور پر استعمال کر کے 3 W/(mk) کی تھرمل چالکتا اور 4 MPa کی موڑنے والی طاقت کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کریں۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ β-Si3N4 پاؤڈر کے مواد میں اضافے کے ساتھ، β-Si3N4 کالم اناج کی اوسط لمبائی-قطر کا تناسب کم ہو جاتا ہے، جس کے نتیجے میں اناج کی بلک کثافت میں کمی، کالمی کرسٹل انٹیگرل نمبر میں اسی طرح اضافہ، انٹرگرانولر کی کمی۔ مرحلے کا مواد اور تھرمل چالکتا میں اضافہ۔

پینگ مینگ مینگ وغیرہ۔ پاؤڈر کی قسم (β-Si3N4 یا α-Si3N4) کے اثر و رسوخ کا مطالعہ کیا اور سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا پر SPS کے انعقاد کا وقت۔ یہ پایا گیا ہے کہ β-Si3N4 پاؤڈر کے ذریعہ تیار کردہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا اسی عمل سے α-Si15N3 پاؤڈر کے ذریعہ تیار کردہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس سے 4% زیادہ ہے، جو 105 W/(mk) تک پہنچ جاتی ہے۔ مختلف خام مال سے تیار کردہ Si1N3 مواد کی تھرمل چالکتا کے موازنہ کے لیے جدول 4 دیکھیں۔

جدول 1 مختلف خام مال سے تیار کردہ Si3N4 مواد کی تھرمل چالکتا کا موازنہ

مندرجہ بالا جامع تحقیق کے مطابق، سی پاؤڈر سے بنے نمونے اعلی تھرمل چالکتا حاصل کر سکتے ہیں، لیکن پیسنے کے عمل میں اسے آکسائڈائز کرنا آسان ہے، اور تجرباتی عمل تکلیف دہ ہے اور اس میں کافی وقت لگتا ہے، جو صنعتی پیداوار کے لیے موزوں نہیں ہے۔ . جب اعلی طہارت اور کم آکسیجن مواد کے ساتھ α-Si3N4 پاؤڈر کو خام مال کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، تو اس کی اعلیٰ پاکیزگی کی وجہ سے بہترین کارکردگی کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کیے جا سکتے ہیں، لیکن اس سے لاگت میں اضافہ ہو گا، جو کہ بڑی مقدار کے لیے موزوں نہیں ہے۔ پیمانے پر پیداوار. اگرچہ β-Si3N4 کو α-Si3N4 کی بجائے اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس حاصل کرنے کے لیے خام مال کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے، لیکن β-Si3N4 کے چھڑی کے سائز کے دانے اناج کی دوبارہ ترتیب میں رکاوٹ بنیں گے، جس کے نتیجے میں sintered مصنوعات کی کثافت مشکل ہو گی۔

1.2 sintering ایڈز کا انتخاب

Si3N4 ایک ہم آہنگی مرکب ہے جس میں ایک چھوٹا سا خود پھیلاؤ گتانک ہے، اور sintering کے دوران خود بازی کے ذریعہ ایک گھنے کرسٹل ڈھانچہ بنانا مشکل ہے۔ لہذا، اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس مناسب سنٹرنگ ایڈز کو شامل کرکے اور سنٹرنگ ایڈز کے تناسب کو بہتر بنا کر حاصل کیا جا سکتا ہے۔ اعلی درجہ حرارت پر، sintering امداد Si2N3 سطح پر SiO4 کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتی ہے تاکہ مائع مرحلہ بن سکے۔آخر میں، اناج کی حد کا مرحلہ قائم ہوتا ہے۔ تاہم، اناج کی حدود کے مراحل کی تھرمل چالکتا صرف 0.7 ~ 1 W/(mk) ہے، جو سلکان نائٹرائڈ کی تھرمل چالکتا کو بہت کم کر دیتی ہے۔ مزید یہ کہ، کچھ آکسائڈ سنٹرنگ ایڈیٹیو کا تعارف Si3N4 کے جالی آکسیجن مواد میں اضافہ اور تھرمل چالکتا میں کمی کا باعث بنے گا۔

اس وقت، سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کے لیے کئی قسم کے سنٹرنگ ایڈز موجود ہیں، جن میں مختلف نایاب ارتھ آکسائیڈ، میگنیشیم مرکبات، فلورائیڈ اور ان کے مرکب سنٹرنگ ایڈز شامل ہیں۔ زمین کے نایاب عناصر کو اکثر Si3N4 جالی سے آکسیجن جذب کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے کیونکہ ان کی اعلی آکسیجن سے وابستگی ہے۔ اس وقت، عام طور پر استعمال ہونے والی مخلوط سنٹرنگ ایڈز میگنیشیم آکسائیڈ اور نایاب ارتھ آکسائیڈ ہیں۔

جیا وغیرہ۔ Y2O3-MgO کو 64.4 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کرنے کے لیے سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کے سنٹرنگ کے عمل میں شامل کیا۔ Go نے Y2O3-MgO کو بطور سنٹرنگ ایڈ بھی استعمال کیا، اور سلیکون نائٹرائڈ کے مائکرو اسٹرکچر اور تھرمل چالکتا پر سنٹرنگ ایڈ MgO کے ذرہ سائز کے اثر کا مطالعہ کیا۔ یہ پایا گیا ہے کہ موٹے MgO ذرات کا اضافہ sintering کے دوران مائع مرحلے کی ساخت کی غیر مساوی تقسیم کا باعث بنے گا، جو MgO سے بھرپور خطے کے ارد گرد Si3N4 اناج کی ترجیحی نشوونما کا باعث بنے گا، اس طرح بڑے پیمانے پر اناج کے تناسب میں اضافہ ہوگا۔ حتمی Si3N4 سیرامکس میں Si3N4 اناج اور تھرمل چالکتا کی بہتری۔

تاہم، آکسائیڈ سنٹرنگ ایڈز کو شامل کرنے سے لامحالہ آکسیجن ایٹم متعارف ہو جائیں گے، اس لیے کرسٹل جالی میں آکسیجن کی نجاست کو کم کرنے کے لیے، آکسائیڈ + نان آکسائیڈ کو ایڈز کو سنٹرنگ کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ یانگ وغیرہ۔ MgF2-Y2O3 کے ساتھ اعلی تھرمل چالکتا سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو بطور sintering additive تیار کیا۔ یہ پایا گیا کہ MgF2 مائع مرحلے کی چپچپا پن کو کم کر سکتا ہے، ذرات کی ترتیب کو تیز کر سکتا ہے، اور پاؤڈر کے مرکب کو کم درجہ حرارت (1600℃) اور کم وقت (3 منٹ) پر کثافت بنا سکتا ہے۔ مزید یہ کہ، کم مائع فیز واسکاسیٹی اور ہائی Si/N ایٹم ریشو α→β فیز ٹرانزیشن اور Si3N4 سیرامکس کے اناج کی نشوونما میں حصہ ڈالتے ہیں، اس طرح Si3N4 سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہتر بناتا ہے۔

Hu، et al. Sintering AIDS کے طور پر MgF2-Y2O3 اور MgO-Y2O3 کے ساتھ ایک تقابلی ٹیسٹ کیا، اور تھرمل چالکتا پر sintering AIDS کے تناسب کے اثر کو دریافت کیا۔ MgO-Y2O3 کے مقابلے میں، Si3N4 سیرامکس کی تھرمل چالکتا میں 19% اضافہ ہوتا ہے جب MgF2-Y2O3 کو بطور سنٹرنگ امداد استعمال کیا جاتا ہے، اور سب سے زیادہ تھرمل چالکتا حاصل کی جا سکتی ہے جب اضافی رقم 4%MgF2 -5%Y2O3 ہو۔

لی نے Y2O4 -MgO کی بجائے Y6Si2N3C-MgO کو بطور سنٹرنگ ایڈیٹیو استعمال کیا۔ نائٹروجن متعارف کروا کر اور سلکا کے خاتمے کو فروغ دے کر، دوسرے مرحلے میں ایک اعلیٰ نائٹروجن-آکسیجن تناسب تشکیل دیا گیا، جس کے نتیجے میں اناج کے سائز میں اضافہ، جالی آکسیجن کے مواد میں کمی، Si3N4 -Si3N4 کے تسلسل میں اضافہ، اور Si3N4 سیرامکس کی تھرمل چالکتا میں 92 W/(mk) سے 120 W/(mk) تک اضافہ۔

مائع مرحلے میں نائٹروجن-آکسیجن کے تناسب کو مزید بہتر بنانے اور آکسیجن کے جالی مواد کو کم کرنے کے لیے، نان آکسائیڈز کو عام طور پر ایڈز کو سنٹرنگ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ مائیکرو اسٹرکچر، تھرمل چالکتا اور Si3N4 کی مکینیکل خصوصیات پر آکسائیڈ اور نان آکسائیڈ سنٹرنگ ایڈیٹوز کے اثرات کا مطالعہ لی نے کیا۔ MgSiN2 -YbF3 بطور sintering additive کے ساتھ، Si3N4 سیرامک ​​مواد 101.5 w/(mk) کی تھرمل چالکتا اور 822～916 MPa کی موڑنے کی طاقت کے ساتھ تیار کیا گیا تھا۔ آکسائیڈ سنٹرنگ ایڈیٹوز کے مقابلے میں، نان آکسائیڈ MgSiN2 اور فلورائیڈ بطور sintering additives سلکان نائٹرائیڈ کے ثانوی مرحلے اور جالی آکسیجن کے مواد کو کم کر سکتے ہیں، جس میں نایاب ارتھ فلورائڈ SiO2 کے ساتھ رد عمل ظاہر کر کے SiF4 پیدا کر سکتا ہے، اور SiF4 کے بخارات کا دوبارہ اخراج ہو سکتا ہے۔ اناج کی باؤنڈری فیز اور گرین باؤنڈری فیز SiO2 کی کمی، اس طرح تھرمل چالکتا کو بہتر بنانے کا مقصد حاصل کرنا۔ مختلف سنٹرنگ ایڈز کے ساتھ تیار کردہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کا موازنہ ٹیبل 2 میں دکھایا گیا ہے، اور مائیکرو اسٹرکچر کو شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔

جدول 2 مختلف سنٹرنگ ایڈز کے ساتھ تیار کردہ Si3N4 مواد کی تھرمل چالکتا کا موازنہ

تصویر 4 آکسائیڈ ایڈیٹوز کا مائیکرو سٹرکچر (a)MgO-Y2O3 اور (d)MgO-Yb2O3، مخلوط اضافی اشیاء (b)MgSiN2 -Y2O3 اور (e)MgSiN2 -Yb2O3، نان آکسائیڈ ایڈیٹوز (c)MgSiN2 اور (YF3F) ) Mg-Sin2-YF3.

فی الحال، ایڈز کے مرکزی دھارے میں موجود نایاب زمینی عناصر Y اور Yb کے مرکبات ہیں، لیکن کچھ نایاب زمینی عناصر کثافت کو بہتر نہیں کر سکتے۔ Guo et al. سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کرنے کے لیے بالترتیب ZrO2 -MgO-Y2O3 اور Eu2O3 -MgO-Y2O3 کو ایڈز کو سنٹرنگ کے طور پر استعمال کیا۔ یہ پایا گیا کہ Eu2O3 -MgO-Y2O3 کے اضافے نے سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی کثافت کو روک دیا۔

مندرجہ بالا تحقیق کے مطابق، آکسائیڈ سنٹرنگ ایڈز کے مقابلے میں، نان آکسائیڈ سنٹرنگ ایڈز اضافی نائٹروجن ایٹم فراہم کر سکتے ہیں، نائٹروجن اور آکسیجن کے تناسب میں اضافہ کر سکتے ہیں، کرسٹل ٹرانسفارمیشن کو فروغ دے سکتے ہیں، اور جالی آکسیجن اور اناج کی حد کے مرحلے کے مواد کو کم کرنے کے لیے SiO2 کو کم کر سکتے ہیں۔

1.3 کاربن کی کمی

مذکورہ بالا سنٹرنگ ایڈز، جیسے Y2S4N6C اور MgSiN2، جو جالی آکسیجن کے مواد کو مؤثر طریقے سے کم کر سکتے ہیں، تجارتی ذرائع سے حاصل نہیں کیے جا سکتے، اس طرح بڑے پیمانے پر پیداوار کے لیے مشکلات پیدا ہوتی ہیں، اور زیادہ درجہ حرارت گرمی کا علاج بھی زیادہ لاگت کا باعث بنے گا۔ لہذا، صنعتی استعمال کے نقطہ نظر سے، اعلی تھرمل چالکتا Si3N4 سیرامکس کی تیاری کا ایک سادہ اور سستا طریقہ تیار کرنا بہت اہمیت کا حامل ہے۔ یہ پایا گیا ہے کہ sintering کے عمل میں کاربن کی ایک خاص مقدار کو ڈوپ کرنے سے آکسیجن کی نجاست کو کم کیا جا سکتا ہے، جو آکسیجن کی جالی کے مواد کو کم کرنے کا ایک مؤثر طریقہ ہے۔

کاربن بڑے پیمانے پر نان آکسائیڈ سیرامکس کے لیے ایک sintering additive کے طور پر استعمال ہوتا ہے، اور اس کا بنیادی کام نان آکسائیڈ پاؤڈر کی سطح سے آکسائیڈ کی نجاست کو دور کرنا ہے۔ اس بنیاد پر، محققین نے پایا کہ تھوڑی مقدار میں کاربن کا اضافہ AlN سیرامکس کے جالی آکسیجن مواد کو مؤثر طریقے سے کم کر سکتا ہے، اس طرح AlN سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ اسی طرح، Si3N4 سیرامکس میں کاربن کا داخل ہونا بھی آکسیجن کے مواد کو کم کر سکتا ہے، بنیادی طور پر اس لیے کہ نائٹرائڈیشن اور پوسٹ سنٹرنگ کے عمل میں، کاربن کی مناسب مقدار بہت واضح کمی کا کردار ادا کرے گی، جو SiO کے جزوی دباؤ کو بہت حد تک کم کر سکتی ہے۔ اور انٹر گرانولر سیکنڈری فیز کے N/O ایٹم تناسب کو بڑھاتا ہے، اس طرح ایک بائی موڈل مائیکرو اسٹرکچر بنتا ہے، بڑے اور پتلے سلکان نائٹرائیڈ ذرات حاصل کرتا ہے، اور سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہتر بناتا ہے۔

Li جب BN کے بجائے BN/ گریفائٹ کو پاؤڈر بیس پلیٹ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، تو سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا 40.7 فیصد بڑھ جاتی ہے۔ یہ پایا گیا ہے کہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا اب بھی 121 W/(mk) تک پہنچ سکتی ہے یہاں تک کہ اگر بال ملنگ کے بعد Si پاؤڈر کی آکسیجن کی مقدار 4.22% تک پہنچ جائے۔ اس کی بنیادی وجہ یہ ہے کہ گریفائٹ میں کم کرنے کی مضبوط صلاحیت ہے۔ نائٹرائڈنگ کے عمل میں، یہ SiO2 کو ہٹانے کو فروغ دے سکتا ہے، ثانوی مرحلے کی کیمیائی ساخت کو تبدیل کر سکتا ہے، اور sintering کے عمل میں SiO2 اور Y2Si3O3N4 کے ثانوی مراحل کے خاتمے کو مزید فروغ دے سکتا ہے، اس طرح پروڈکٹ کو چھڑی کی طرح بڑے دانے پیدا ہوتے ہیں۔ ، جالی آکسیجن کے مواد کو کم کرنا اور Si3N4 -Si3N4 کے تسلسل کو بہتر بنانا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ اگرچہ کچھ کاربن ڈوپڈ ہے، لیکن سلیکان نائٹرائڈ کی مزاحمتی صلاحیت میں کوئی تبدیلی نہیں آئی، لیکن حتمی مصنوعات میں بڑے پیمانے پر نقصان کا تناسب (25.8٪) ہے، جو خام مال کے نقصان کی قیمت کو بڑھاتا ہے۔

لی وغیرہ۔ نے پایا کہ ضرورت سے زیادہ گریفائٹ سطح پر Si3N4 کے ساتھ رد عمل ظاہر کرے گا، جو سیلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کے بڑے پیمانے پر نقصان کا تناسب بڑھانے کا کلیدی عنصر ہے۔ لہذا انہوں نے تیاری کے عمل کو بہتر کیا، دو قدمی گیس پریشر سنٹرنگ کا طریقہ اپنایا، اور 5%α-Si93N3 -4%Yb2O2 -3%MgO کے ساتھ 5% (مول فریکشن) کاربن کے پاؤڈر مکسچر کو سنٹرنگ کے لیے خام مال کے طور پر استعمال کیا۔ تجربہ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ کاربن کے اضافے کے ساتھ Si3N4 سیرامکس کی تھرمل چالکتا 102 W/(mk) سے 128 W/(mk) تک 25.5 فیصد تک بڑھ گئی ہے۔ پہلے سنٹرنگ کے عمل میں، کاربوتھرمل کمی کے عمل نے آکسیجن کے مواد کو نمایاں طور پر کم کیا اور انٹرگرانولر سیکنڈری فیز کے N/O تناسب میں اضافہ کیا۔ نیم تیار شدہ Si3N4 نمونوں میں، Y2Si4O7N2 ثانوی مرحلہ ظاہر ہوا، β-Si3N4 کا مواد زیادہ تھا، اور چھڑی کے سائز کے β-Si3N4 کے دانے بڑے تھے۔ دوسرے سینٹرنگ کے عمل میں، دوسرا مرحلہ Y2Si4O7N2 کاربن کے ساتھ رد عمل کے ساتھ YbSi3N5 بناتا ہے، جس سے جالی آکسیجن کے مواد میں بہت زیادہ کمی آتی ہے، جس کے نتیجے میں چھڑی کے سائز کے دانے اور سخت Si3N4 -Si3N4 انٹرفیس، جو Si3N4 کی تھرمل چالکتا کو نمایاں طور پر بہتر بناتا ہے۔ تیار کردہ Si3N4 کی SEM تصویر کو شکل 5 میں دکھایا گیا ہے۔

تصویر 5. آخری Si3N4 سیرامک ​​نمونے کی پالش شدہ سطح اور پلازما اینچڈ سطح کے SEM مائیکرو گراف: (a) کم طاقت والی تصاویر a) SN اور (b) SNC؛ (c)SN اور (d)SNC کی ہائی پاور امیجز

اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس میں کاربن کا اضافہ جالی آکسیجن کے مواد کو کم کرنے کا ایک مؤثر طریقہ ہے۔ اس طریقہ کار میں خام مال اور سنٹرنگ ایڈز کے آکسیجن مواد پر کم تقاضے ہیں، جو اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تیاری کی لاگت کو کم کرتا ہے۔ ٹیکنالوجی کی مسلسل بہتری کے ساتھ، صنعتی پیداوار میں اس کا اطلاق متوقع ہے۔

2 کرسٹل تبدیلی اور کرسٹل محور واقفیت۔

2.1 تھرمل چالکتا اور بہتری کے طریقوں پر کرسٹل تبدیلی کا اثر

β-Si3N4 کی تھرمل چالکتا α-Si3N4 سے زیادہ ہے کیونکہ اس کی زیادہ سڈول ساخت ہے۔ اعلی درجہ حرارت پر سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو سنٹر کرنے کے عمل میں، خام مال کے کم درجہ حرارت کے مرحلے α-Si3N4 کو تحلیل-برسات کے طریقہ کار کے ذریعے اعلی درجہ حرارت کے مرحلے β-Si3N4 میں تبدیل کیا جائے گا، لیکن کرسٹل قسم کی تبدیلی نہیں ہے۔ sintering کے عمل میں مکمل، اور غیر تبدیل شدہ α-Si3N4 سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہت زیادہ متاثر کرے گا۔ کرسٹل ٹرانسفارمیشن کو فروغ دینے اور اعلی β/(α+β) تناسب حاصل کرنے کے لیے، اس وقت عام طور پر استعمال کیے جانے والے طریقے یہ ہیں: (1) سنٹرنگ سسٹم کو تبدیل کرنا، جیسے کہ سنٹرنگ کا درجہ حرارت بڑھانا، سنٹرنگ کے وقت کو طول دینا اور بعد میں گرمی۔ علاج؛ (2) β-Si3N4 چھڑی کی شکل کے کرسٹل اناج کی مناسب مقدار کو α-Si3N4 میں بیج کرسٹل کے طور پر شامل کیا جاتا ہے۔ تصویر 6 بیج کے اضافے کے بعد سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی بائی موڈل مائیکرو اسٹرکچر کی تقسیم کو دکھاتا ہے۔

تصویر 6 بیج کرسٹل کو شامل کرنے کے بعد β-Si3N4 سیرامکس کی ڈوئل موڈ مائکرو اسٹرکچر کی تقسیم۔

چاؤ وغیرہ۔ تھرمل چالکتا، موڑنے کی طاقت اور سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی فریکچر سختی پر مختلف سنٹرنگ وقت کے اثرات کو دریافت کیا۔ یہ ٹیبل 3 سے دیکھا جا سکتا ہے کہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا بتدریج سنٹرنگ کے وقت کو طول دینے کے ساتھ بڑھتی ہے۔ یہ بنیادی طور پر کرسٹل دانوں کی مسلسل نشوونما، β-Si3N4 مواد میں اضافہ اور تحلیل اور ورن کے عمل کے ساتھ جالی آکسیجن کے مواد میں کمی کی وجہ سے ہے۔ ٹونگ وینکسین وغیرہ۔ نے Si3N4 کی تھرمل چالکتا پر سنٹرنگ درجہ حرارت کے اثر کا مطالعہ کیا، اور پتہ چلا کہ 1600℃ پر سینٹر کیے گئے نمونے α فیز اور β فیز دونوں پر مشتمل تھے۔ سنٹرنگ کا درجہ حرارت 1700 ℃ اور 1800 ℃ تک بڑھنے کے بعد، نمونے میں صرف β مرحلہ موجود ہے۔ sintering کے درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ، نمونے کی تھرمل چالکتا بڑھ جاتی ہے، جو اناج کے سائز میں اضافے، مائع کی مقدار میں کمی اور متعدد اناج کی حدود کے کنارے پر مائع مرحلے میں آزاد "گلاس کیپسول" کی تشکیل کی وجہ سے ہو سکتی ہے۔ .

ٹیبل 3 مختلف سنٹرنگ وقت پر Si3N4 کی کارکردگی کا موازنہ

Zhu et al. پتہ چلا کہ β-Si3N4 کو سیڈ کرسٹل کے طور پر سنٹرنگ کے دوران شامل کرنے سے زیادہ کثافت ڈگری اور تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس حاصل کیا جا سکتا ہے۔ کرسٹل کی تبدیلی کو مزید فروغ دینے اور بڑے سائز کے سلیکون نائٹرائڈ اناج حاصل کرنے کے لیے، β-Si3N4 کو α-Si3N4 کے بجائے اعلی تھرمل چالکتا سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کرنے کے لیے ابتدائی پاؤڈر کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ Liang Zhenhua، وغیرہ نے 1% (بڑے پیمانے پر حصہ) چھڑی کے سائز کے β-Si3N4 ذرات کو بیج کرسٹل کے طور پر شامل کیا، اور سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا 158 W/(mk) تک پہنچ گئی۔ Liu Xingli et al. سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا اور مکینیکل خصوصیات پر β-Si3N4/α-Si3N4 کے مختلف تناسب کے اثر کو دریافت کیا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جب تمام خام مال β-Si3N4 تھے، سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا سب سے زیادہ تھی، جو 108 W/(mk) تک پہنچ گئی تھی، لیکن موڑنے کی طاقت بھی کم ہو گئی تھی۔

مندرجہ بالا تحقیق کے مطابق، sintering کے درجہ حرارت میں اضافہ اور sintering کے وقت کو طول دینا ایک خاص حد تک کرسٹل کی تبدیلی کو فروغ دے سکتا ہے۔ کرسٹل ٹرانسفارمیشن کو فروغ دینے کے لیے β-Si3N4 سیڈ کرسٹل کی مناسب مقدار کو شامل کرنے سے β/(α+β) تناسب میں مختصر وقت میں اضافہ ہو سکتا ہے، کرسٹل کے اناج کو زیادہ مکمل طور پر اگایا جا سکتا ہے، اور اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس حاصل کیے جا سکتے ہیں۔

2.2 تھرمل چالکتا اور اس کی بہتری کے طریقہ کار پر کرسٹل واقفیت کا اثر

چونکہ C محور کی شرح نمو A محور سے زیادہ ہے، انیسوٹروپک نمو β-Si3N4 کی چھڑی کی شکل اور اس کی طبعی خصوصیات کی anisotropy کی طرف لے جاتی ہے۔ سلکان نائٹرائڈ اناج کی تھرمل چالکتا انیسوٹروپک ہے۔ A محور اور C محور کے ساتھ β-Si3N4 سنگل کرسٹل کی نظریاتی تھرمل چالکتا بالترتیب 170 W/(mk) اور 450 W/(mk) ہیں۔ لہذا، دشاتمک ترتیب کو محسوس کرنے اور سلیکون نائٹرائڈ اناج کی دشاتمک نمو کو فروغ دینے کے لیے مولڈنگ کے عمل میں مناسب طریقے اپنائے جا سکتے ہیں۔ فی الحال، مولڈنگ کے وہ طریقے جو اناج کو سمت سے اگاتے ہیں ان میں ٹیپ کاسٹنگ مولڈنگ، ہاٹ پریسنگ مولڈنگ اور گراؤٹنگ مولڈنگ شامل ہیں۔

بیرونی مقناطیسی میدان کے عمل کے تحت، سلکان نائٹرائڈ کرسٹل میں ہر کرسٹل محور کے ساتھ واضح اضافہ فرق ہوتا ہے۔ یہ بنیادی طور پر ہر کرسٹل محور کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ کرسٹل کی مقناطیسی حساسیت کے فرق کی وجہ سے ہے۔ بیرونی مضبوطی مقناطیسی میدان کی کارروائی کے تحت، سلکان نائٹرائڈ کرسٹل ٹارک کی کارروائی کا نشانہ بنایا جائے گا. کم از کم میگنیٹائزیشن توانائی حاصل کرنے کے لیے ایک مخصوص زاویہ کو گھمانے سے، سلکان نائٹرائڈ کرسٹل گردش چلانے والی توانائی کا اظہار حسب ذیل ہے:

جہاں: V ذرات کا حجم ہے، B لاگو مقناطیسی میدان ہے، μ0 خلا میں مقناطیسی پارگمیتا ہے، χc اور χa، B بالترتیب C محور اور A, B محور کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ کرسٹل کی مقناطیسی حساسیت کی نمائندگی کرتا ہے، اور | Δχ| ہر کرسٹل محور کے ساتھ کرسٹل کے مقناطیسی حساسیت کے فرق کی مطلق قدر ہے۔ اور ذرات کی تھرمل حرکت توانائی u کا اظہار ہے:

U=3nN0kB (4)

جہاں: n مادی ذرات کے moles کی تعداد ہے، N0 Avogadro کا مستقل ہے، kB بولٹزمین کا مستقل ہے، اور t درجہ حرارت ہے۔ جب δ e u سے بڑا ہو تو ذرات کو مقناطیسی میدان کے ذریعے گھمایا جا سکتا ہے۔ جیسا کہ انجیر سے دیکھا جا سکتا ہے۔ 7، اگر c محوراعلی مقناطیسی حساسیت کے ساتھ، چھڑی کے سائز کے ذرات کو مقناطیسی میدان کے متوازی ترتیب دیا جائے گا۔ اگر C محور کی مقناطیسی حساسیت کم ہے تو، چھڑی کے سائز کے ذرات مقناطیسی میدان کے ساتھ کھڑے ہو جائیں گے۔

تصویر 7 جالی میں مسدس چھڑی کے سائز کے ذرات کی ترتیب پر مقناطیسی میدان کے اثر و رسوخ کا اسکیمیٹک خاکہ: (a) χ c > χ a, b; (b) χc＜χa، b

کمزور مقناطیسی سیرامکس کی تشکیل کے عمل میں مضبوط مقناطیسی فیلڈ کو متعارف کروا کر اورینٹڈ مائیکرو اسٹرکچر والے نمونے تیار کیے جا سکتے ہیں۔ جیسا کہ مقناطیسی حساسیت χ c < χ a, b ہر ایک محور کے ساتھ سلیکون نائٹرائڈ اناج کی، سی-محور واقفیت کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو گھومنے والے افقی مقناطیسی میدان میں گراؤٹنگ اور دیگر تکنیکوں کے ذریعے تیار کیا جا سکتا ہے۔ تیاری کا اصول تصویر 8 میں دکھایا گیا ہے۔

تصویر 8 مقناطیسی میدان میں کرسٹل ایکسس واقفیت کے ساتھ سیرامکس کی تیاری

یانگ زیگنگ وغیرہ۔ 6T طول بلد مقناطیسی فیلڈ میں محور A یا B کے ساتھ بنے ہوئے ٹیکسچرڈ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو تیار کرنے کے لیے روایتی گراؤٹنگ مولڈنگ کے بجائے جیل انجیکشن مولڈنگ کا استعمال کیا، اور سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی ساخت پر سنٹرنگ درجہ حرارت اور ہولڈنگ ٹائم کے اثرات کا مطالعہ کیا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ سنٹرنگ درجہ حرارت میں اضافہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی ساخت کو فروغ دیتا ہے، جبکہ sintering کے وقت کو طول دینے سے ساخت پر بہت کم اثر پڑتا ہے۔ لیانگ وغیرہ۔ پتہ چلا کہ سلکان نائٹرائڈ کرسٹل اناج {0001} نے Z محور کے ساتھ بڑھنے کے آثار دکھائے اور گرم دبانے والے سنٹرنگ کے ذریعے سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کرتے وقت مضبوط سمت بندی کی۔ یہ اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تیاری کے لیے فائدہ مند ہے۔ Zhu et al. 12T کے افقی مقناطیسی میدان میں گراؤٹنگ مولڈنگ کا مظاہرہ کیا، اور 170w/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ اعلی تھرمل چالکتا سلکان نائٹرائڈ سیرامکس حاصل کیا۔ یہ پایا گیا ہے کہ گراؤٹنگ کے عمل کے دوران، مولڈ 5 r/منٹ کی رفتار سے گھومتا ہے تاکہ ایک گھومتا ہوا مقناطیسی میدان بنتا ہے، جو کہ مضبوطی کے عمل کے دوران مقناطیسی میدان کی طرف β-Si3N4 کے سی محور کی سمت کی طرف جاتا ہے، اور C-axis اورینٹیشن گتانک 0.98 ہے۔ تصویر 9 چھڑی کے سائز کے سلکان نائٹرائڈ کے دانوں کی سمت بندی پر مقناطیسی میدان اور ڈائی گردش کے اثر کو ظاہر کرتا ہے۔

تصویر 9 مقناطیسی میدان کا اثر اور چھڑی کے سائز کے سلکان نائٹرائڈ کے دانوں کی سمت بندی پر ڈائی گردش

فی الحال، بڑے پیمانے پر پیداوار میں سلکان نائٹرائڈ اناج کی بنیاد پر ترقی کا احساس کرنا مشکل ہے. فی الحال، ادب میں سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کی اورینٹیڈ نمو لیبارٹری کے مرحلے تک محدود ہے، اور صنعتی پیداوار میں سلکان نائٹرائڈ اناج کی اورینٹڈ نمو کو مناسب طریقوں کے ذریعے محسوس کرنا ضروری ہے، جس میں اعلی تھرمل کی تیاری کے لیے بہت زیادہ استعمال کے امکانات ہیں۔ چالکتا سلکان نائٹرائڈ سیرامکس۔

3 سیرامک ​​سبسٹریٹ کی تیاری کا عمل

3.1 مولڈنگ عمل

پاور الیکٹرانک آلات کے چھوٹے بنانے کی وجہ سے، سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹس کا سائز اور موٹائی زیادہ درست ہونے کی ضرورت ہے۔ تجارتی سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹس کی موٹائی کی حد 0.3～0.6 ملی میٹر ہے۔ سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹ مواد کی بڑے پیمانے پر پیداوار کو محسوس کرنے کے لیے، یہ خاص طور پر اہم ہے کہ ایک مناسب مولڈنگ طریقہ منتخب کیا جائے۔ اس وقت، سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تیاری کے لیے مولڈنگ کے بہت سے طریقے ہیں، جیسے ٹیپ کاسٹنگ، ہاٹ پریسنگ، گراؤٹنگ، کولڈ آئسوسٹیٹک پریسنگ وغیرہ۔ تاہم، چھوٹے بنانے اور تطہیر کی ضروریات کو پورا کرنے اور ایک ہی وقت میں سلیکون نائٹرائڈ اناج کی دشاتمک نمو کو محسوس کرنے کے لیے، بلاشبہ اس مقصد کو حاصل کرنے کے لیے ٹیپ کاسٹنگ کلید ہے۔ تصویر 10 کاسٹنگ کے عمل کا ایک فلو چارٹ ہے، اور کاسٹنگ کے ذریعے سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​سبسٹریٹ مواد کی تیاری ذیل میں بیان کی گئی ہے۔

تصویر 10 ٹیپ کاسٹنگ کے عمل کا فلو چارٹ

گرین باڈی کی کارکردگی کا تعین کرنے کے لیے ٹیپ کاسٹنگ کا سلیری سب سے اہم عنصر ہے۔ گارا میں پاؤڈر، سالوینٹ، ڈسپرسنٹ، بائنڈر، پلاسٹائزر اور دیگر اضافی چیزیں شامل ہیں۔ ہر جزو کا سلیری کی کارکردگی پر ایک اہم اثر ہوتا ہے، اور گارا کا ہر جزو ایک دوسرے کو بھی متاثر کرے گا۔ اگرچہ ٹیپ کاسٹنگ کے دیگر مولڈنگ کے عمل کے مقابلے میں منفرد فوائد ہیں، عملی طور پر، مختلف تناؤ کی رہائی کے طریقہ کار کی وجہ سے، ٹیپ کاسٹنگ شیٹ خشک ہونے پر موڑنے، کریکنگ، جھریوں، ناہموار موٹائی اور دیگر مظاہر کا سبب بننا آسان ہے۔ یکساں اور مستحکم کاسٹنگ سلوری اور ہموار کاسٹنگ شیٹ کو خشک کرنے کے بعد تیار کرنے کے لیے، فارمولے میں کوئی تبدیلی نہ کرتے ہوئے سلری گیلے ہونے، استحکام اور خالی موٹائی جیسے عوامل پر توجہ دینا ضروری ہے۔

جب سلکان نائٹرائڈ کاسٹنگ شیٹ کاسٹنگ کے ذریعے تیار کی جاتی ہے، Otsuka et al. اور چو وغیرہ۔ نظریاتی مائع بہاؤ ماڈل کو آگے رکھیں، اور کاسٹنگ شیٹ کی موٹائی D اور کاسٹنگ پیرامیٹرز کے درمیان تعلق کو فارمولے میں دکھایا گیا ہے (5):

(5)

جہاں: α خشک ہونے پر گیلے خالی جگہ کی موٹائی کے سکڑنے کے گتانک کی نمائندگی کرتا ہے، اور گارا کی چپکنے والی اور یکسانیت کا اس پر بہت اثر ہوتا ہے۔ H اور l بالترتیب سکریپر کے بلیڈ گیپ کی اونچائی اور لمبائی کی نمائندگی کرتے ہیں۔ η slurry کی viscosity کی نمائندگی کرتا ہے؛ F ہوپر میں دباؤ کی نمائندگی کرتا ہے، جو عام طور پر سلوری کی اونچائی سے طے ہوتا ہے۔ V کاسٹنگ ڈیوائس اور سپورٹ کیریئر کی رشتہ دار رفتار کی نمائندگی کرتا ہے۔ انتہائی پتلی سیرامک ​​سبسٹریٹ کو تیار کرنے کے لیے ضروری ہے کہ بلیڈ گیپ کو درست طریقے سے ایڈجسٹ کیا جائے اور سلوری کی چپکنے والی اور یکسانیت کو اعتدال میں رکھتے ہوئے سلوری کے مائع کی سطح کو مستقل رکھا جائے۔

نامیاتی ٹیپ کاسٹنگ میں، عام طور پر، azeotrope کو سالوینٹس کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، اور تحلیل کا اثر بہتر ہوتا ہے، اس لیے اس بات کو یقینی بنانا ضروری ہے کہ سالوینٹ پاؤڈر کے ذرات کے لیے اچھی گیلی صلاحیت رکھتا ہو، جس کا تعلق سالوینٹ کی سطح کے تناؤ سے ہے، جو ہو سکتا ہے۔ فارمولہ (6):

  (6)

جہاں θ گیلا کرنے کا زاویہ ہے؛ γsv، γsl اور γlv بالترتیب ٹھوس گیس، ٹھوس مائع اور مائع گیس کی سطح کے تناؤ کی نمائندگی کرتے ہیں۔ یہ فارمولہ (6) سے دیکھا جا سکتا ہے کہ جتنا چھوٹا γlv ہے، اتنا ہی چھوٹا θ ہے، بہتر گیلا ہونے کی نشاندہی کرتا ہے۔ گیلا کرنے کا عمل تصویر 11 میں دکھایا گیا ہے۔

تصویر 11 گیلا کرنے کی کارروائی کا اسکیمیٹک خاکہ

کاسٹنگ سلوری کی یکسانیت اور استحکام کو یقینی بنانے کے لیے، ڈسپرسنٹ کو شامل کرنا ضروری ہے، جس کا بنیادی کام پاؤڈر کے ذرات کی سطح کو گیلے کرنے کے لیے آسان بنانا، پاؤڈر کے ذرات کی سطح کی ممکنہ توانائی کو کم کرنا ہے تاکہ ان کو منتشر کرنا آسان ہو، اور ذرات کے درمیان ممکنہ رکاوٹ کو بڑھاتا ہے، اس طرح گارا کو مستحکم اور یکساں بناتا ہے۔ سلوری کے استحکام کو DLVO تھیوری سے بیان کیا جا سکتا ہے:

UT=UA+UR(7)

کہاں: UA وان ڈیر والز گروتویشنل پوٹینشل انرجی ہے۔ UR قابل نفرت ممکنہ توانائی ہے۔ جب UR UA سے بڑا ہوتا ہے، گارا مستحکم ہوتا ہے۔ گارا کی یکسانیت اور استحکام کو یقینی بنانے کے لیے، ڈسپرسنٹ کی خوراک کو بھی کنٹرول کیا جانا چاہیے۔ اگر خوراک بہت زیادہ ہے، تو پیدا ہونے والے ذرات آسانی سے بانڈ ہوتے ہیں، جو موتیوں کے ذرات حاصل کرنے کے لیے موزوں نہیں ہوتے ہیں۔ اگر خوراک بہت کم ہے، تو اسے چھوٹی بوندوں میں منتشر کرنا آسان ہے، اور مونومر غیر مستحکم ہے۔ ردعمل کی ترقی کے ساتھ، منتشر بوندیں بلاکس میں بھی گاڑھا ہو سکتی ہیں۔ Duan et al. پہلے یکساں مائیکرو اسٹرکچر کے ساتھ ایک کاسٹنگ شیٹ تیار کی اور کاسٹنگ کے عمل سے 56.08% کی نسبتہ کثافت حاصل کی، اور پھر گیس پریشر سنٹرنگ کے ذریعے 99% کی نسبتہ کثافت اور 58 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ ایک سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​حاصل کیا۔ Zhang et al. ٹیپ کاسٹنگ کے عمل اور گیس پریشر سنٹرنگ کے عمل کے ذریعے 81 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ گھنے سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس تیار کریں۔ یہ پایا جاتا ہے کہ سب سے زیادہ تھرمل چالکتا اس وقت حاصل کی جا سکتی ہے جب ڈسپرسنٹ (PE)، بائنڈر (PVB)، پلاسٹائزر/بائنڈر کا تناسب اور ٹھوس بوجھ 1.8% (ماس فریکشن)، 8% (ماس فریکشن)، 1.2% اور 33% (ماس فریکشن) حجم کا حصہ) بالترتیب۔ Zhang Jingxian، et al. پہلے ٹیپ کاسٹنگ کے ذریعے Si کی کاسٹ شیٹ تیار کی، اور پھر degreasing، nitriding اور sintering کے ذریعے 76 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامک ​​تیار کیا۔ فی الحال، ٹیپ کاسٹنگ کے ذریعے تیار کردہ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا زیادہ نہیں ہے، جو کہ لٹریچر (> 150 W/(mk)) میں بتائی گئی سطح سے کہیں کم ہے۔ عمل کو بہتر بنا کر اور ہر جزو کے تناسب کو بہتر بنا کر اعتدال پسند چپکنے والی اور اچھی گیلی صلاحیت کے ساتھ یکساں اور مستحکم گارا تیار کرنا کلید ہے۔

3.2 sintering عمل

اس وقت، سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تیاری کے لیے اہم سنٹرنگ کے طریقے گیس پریشر سنٹرنگ، ری ایکشن سنٹرنگ، دوبارہ سنٹرنگ، اسپارک پلازما سنٹرنگ، ہاٹ پریسنگ سنٹرنگ وغیرہ ہیں۔ ہر طریقہ کے اپنے فوائد اور نقصانات ہیں۔ یہاں کچھ عام sintering کے طریقے ہیں جن کا مختصراً خلاصہ کیا گیا ہے۔

گیس پریشر سنٹرنگ (GPS) دباؤ ڈال کر اور گرم کر کے نائٹروجن ماحول میں سلیکون نائٹرائڈ کو تیزی سے کثافت کر سکتا ہے، α→β کرسٹل فارم کی تیز رفتار تبدیلی کو فروغ دے سکتا ہے، اور سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا کو بہتر بنانے میں مدد کر سکتا ہے۔ لی، وغیرہ۔ اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو خام مال کے طور پر α-Si3N4 کے ساتھ دو قدمی گیس پریشر سنٹرنگ طریقہ سے تیار کیا گیا تھا۔ سب سے پہلے، مخلوط پاؤڈر کو 1500 MPa کے نائٹروجن دباؤ کے تحت 1 ℃ پر گرم کیا گیا اور پھر 1900 گھنٹے کے لیے 12 ℃ پر سینٹر کیا گیا۔ دو قدمی گیس پریشر سنٹرنگ ری ایکشن کے ذریعے، α→β-Si3N4 کی کرسٹل تبدیلی کو بہت فروغ دیا گیا، اور سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا 128W/(mk) تک پہنچ گئی۔ کم وغیرہ۔ 1900 ایم پی اے کے نائٹروجن ماحول میں گیس پریشر سنٹرنگ کے طریقہ کار سے 0.9℃ تک گرم کیا جاتا ہے، اور درجہ حرارت کو 6 گھنٹے تک رکھا جاتا ہے۔ آخر میں، سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی تھرمل چالکتا 78.8 W/(mk) تھی۔ لی وغیرہ۔ 120 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو Y2Si4N6C-MgO کے ساتھ گیس پریشر سنٹرنگ کے طریقہ کار سے بطور سنٹرنگ امداد تیار کیا گیا تھا۔

پلازما sintering (SPS) عمل ایک قسم کا نمونہ sintering طریقہ ہے جو دباؤ کے میدان، درجہ حرارت کے میدان اور برقی میدان کے مشترکہ عمل کو محسوس کرتا ہے۔ اس میں تیز حرارتی شرح، کم سنٹرنگ درجہ حرارت اور کم سنٹرنگ وقت کے فوائد ہیں۔ یانگ وغیرہ۔ 3 w/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ Si4N76 سیرامکس، 857.6 MPa کی موڑنے کی طاقت، 14.9 GPa کی سختی اور MgF7.7-Y1O2 کے ساتھ SPS پروسیس کے ذریعے 2 MPa m 2/3 کی فریکچر سختی کو بطور سنٹرنگ ایڈیٹیو کے ساتھ تیار کیا۔ تجربے سے پتہ چلتا ہے کہ برقی میدان کے استعمال کی وجہ سے، ذرات آسانی سے پھسلتے ہیں، جو ذرات کی دوبارہ ترتیب کے لیے موزوں ہے، اس طرح بڑے دانے والے ذرات حاصل کرتے ہیں، اور Si3N4 کو کم درجہ حرارت پر زیادہ کثافت حاصل کرتے ہیں۔

Hu et al. 3 w/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ Si4N82.5 سیرامک ​​مواد تیار کیا گیا، MgF911-Y47O8.47 اور MgO- کے ساتھ SPS عمل کے ذریعے (0.31±1) MPa کی موڑنے کی طاقت اور (2±2) MPa·m2/2/3 کی فریکچر سختی Y2O3 بطور sintering additives۔ ایس پی ایس عمل مذکورہ بالا مسئلہ کو بھی حل کرسکتا ہے کہ خام مال کے طور پر β-Si3N4 کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو سنٹر کرنا مشکل ہے۔ پینگ مینگ مینگ وغیرہ۔ SPS کے عمل کے ذریعے 1600 منٹ کے لیے 5℃ پر سینٹر کیا گیا، پھر 1900h کے لیے 3℃ پر رکھا گیا، اور 105 W/(mk) سے زیادہ تھرمل چالکتا کے ساتھ گھنے سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس حاصل کیے گئے۔ لیو وغیرہ۔ SPS کے ذریعے 99% تک کثافت کے ساتھ اعلی تھرمل چالکتا سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کو کامیابی کے ساتھ تیار کیا گیا ہے اور ابتدائی مواد کے طور پر β-Si3N4 /α-Si3N4 پاؤڈر کے مختلف تناسب کے ساتھ ہیٹ ٹریٹمنٹ کا عمل۔

Reactive re-sintering (SRBSN) محققین کی طرف سے پسند کیا جاتا ہے کیونکہ غیر محفوظ Si3N4 sintered جسم نائٹرائڈنگ Si پاؤڈر کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے، اور پھر گھنے سلیکان نائٹرائڈ سیرامکس بنانے کے لیے sintered کیا جاتا ہے، جس میں آکسیجن کا مواد کمرشیل سے تیار کردہ سیلیکون نائٹرائڈ سیرامکس سے کم ہوتا ہے۔ . چاؤ وغیرہ۔ SRBSN عمل کے ذریعے 3 W/(mk) تک تھرمل چالکتا کے ساتھ Si4N177 سیرامکس کو تیار کیا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ اعلی تھرمل چالکتا سنٹرنگ کے وقت کو طول دے کر اور جالی آکسیجن کے مواد کو مزید کم کرکے حاصل کیا جاسکتا ہے۔ اس کے علاوہ، انہوں نے اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ Si3N4 سیرامکس کے فریکچر رویے کا بھی مطالعہ کیا، اور پایا کہ اس میں فریکچر کی سختی (11.2 MPa m1/2) ہے۔ چاؤ وغیرہ۔ Y3O4 اور MgO کے ساتھ SRBSN عمل کے ذریعے Si2N3 سیرامکس کو بطور اضافی تیار کیا۔ یہ پایا گیا ہے کہ Y2O3 -MgO اضافی اور سنٹرنگ ٹائم کا مواد Si3N4 کی تھرمل چالکتا کو متاثر کرے گا۔ جب اضافی مواد 2%Y2O3 -4%MgO ہے، تو Si3N4 سیرامکس کی تھرمل چالکتا 156 گھنٹے کے لیے سنٹرنگ کے بعد 24 w/(mk) ہے، جو Si21N3 سیرامکس (4 w/(mk)) سے 128% زیادہ ہے۔ 6 گھنٹے کے لئے sintering کے بعد. 3 W/(mk) سے زیادہ تھرمل چالکتا کے ساتھ Li Si4N121 سیرامکس کو SRBSN عمل کے ذریعے Y2O3-MgO کے ساتھ بطور سنٹرنگ ایڈ تیار کیا گیا تھا۔

اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کو دوسرے سنٹرنگ طریقوں سے بھی تیار کیا جا سکتا ہے۔ جیا وغیرہ۔ الٹرا ہائی پریشر سنٹرنگ کے ذریعے 64.6 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کریں۔ Duan et al. 60 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ 1780℃ پر کم درجہ حرارت کے دباؤ کے بغیر سنٹرنگ کے ساتھ 10% TiO2 -MgO کے ساتھ sintering additive کے طور پر سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کریں۔ لی وغیرہ۔ 101.5 W/(mk) کی تھرمل چالکتا کے ساتھ گرم دبانے والے sintering کے عمل سے سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کریں۔

مندرجہ بالا تحقیق کے مطابق، اگرچہ sintering کے طریقے مختلف ہیں، بہترین خصوصیات کے ساتھ سلکان نائٹرائڈ سیرامکس تیار کیے جا سکتے ہیں۔ سلیکون نائٹرائڈ سیرامکس کی بڑے پیمانے پر پیداوار کا احساس کرنے کے لیے، قیمت، آپریشن کی دشواری اور پروڈکشن سائیکل جیسے عوامل پر غور کرنے کی ضرورت ہے، لہذا یہ تیز، آسان اور کم لاگت کے سنٹرنگ کے عمل کو تلاش کرنے کی کلید ہے۔

4ٹیگ

Si3N4 سیرامک ​​ہائی پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کے میدان میں اپنی ممکنہ اعلی تھرمل چالکتا اور بہترین مکینیکل خصوصیات کی وجہ سے زیادہ سے زیادہ مقبول ہے، اور توقع کی جاتی ہے کہ یہ الیکٹرانک آلات کے لیے ترجیحی سیرامک ​​سبسٹریٹ میٹریل بن جائے گا۔ تاہم، بہت سے عوامل ہیں جو اس کی تھرمل چالکتا کو محدود کرتے ہیں، جیسے جالی کے نقائص، ناپاک عناصر، جالی آکسیجن کا مواد، اناج کا سائز، وغیرہ، جس کی وجہ سے سلکان نائٹرائڈ سیرامکس کی اصل تھرمل چالکتا کم ہوتی ہے۔

دستبرداری: یہ مضمون "5G انڈسٹری واچ" سے دوبارہ تیار کیا گیا ہے۔ یہ مضمون صرف مصنف کے ذاتی خیالات کی نمائندگی کرتا ہے، Sacco Micro اور صنعت کے خیالات کی نہیں۔ یہ صرف دوبارہ پرنٹ کرنے اور اشتراک کرنے کے لیے ہے تاکہ املاک دانش کے حقوق کے تحفظ کی حمایت کی جا سکے۔ دوبارہ پرنٹ کرتے وقت براہ کرم اصل ماخذ اور مصنف کی نشاندہی کریں۔ اگر کوئی خلاف ورزی ہو تو اسے حذف کرنے کے لیے ہم سے رابطہ کریں۔