Warum ist Siliziumnitridkeramik zum Lager geeignet?
2023-07-03
Mit der Entwicklung der Herstellung von Maschinen in Richtung Aluminiumoxid -Keramikblatt hohe Präzision und hohe Geschwindigkeit wird der Anwendungsumfang der Lager immer weiter und die Anforderungen an die Leistung von Lagern werden immer höher. Insbesondere in einigen besonderen Arbeitsumgebungen können Metalllager den Bedürfnissen nicht erfüllen oder sogar vollständig funktionieren. Keramikmaterialien sind aufgrund ihrer geringen Dichte, ihres hohen elastischen Moduls, des kleinen linearen Expansionskoeffizienten, ihrer Verschleißfestigkeit, ihrer Hochtemperaturwiderstand, der Korrosionsbeständigkeit und anderer hervorragender Eigenschaften zu idealen Materialien für die Hochgeschwindigkeits-Herstellung Präzisionslager geworden.
1. Vorteile und Eigenschaften der Siliziumnitridkeramik
Obwohl Siliziumnitrid nicht die schwierigste und schwierigste in der Industriekeramik ist, wird es als die besten mechanischen und physikalischen Eigenschaften in Lageranwendungen angesehen, die hohe Leistung erfordern. Schauen wir uns nun die Vorteile von Siliziumnitrid im Vergleich zu anderen Lagermaterialien an.
Leistungsvergleich von fünf Lagermaterialien mit Aluminiumoxid -Keramikstangen
Hitzebeständigkeit
Im Allgemeinen nimmt die Härte und die Lebensdauer der Härte und die Lebensdauer von Rolling ab. Siliziumnitrid weist gute Temperatureigenschaften auf, insbesondere für die Umgebung mit hoher Temperatur.
Zentrifugalkraft
Die Dichte von Siliziumnitrid beträgt etwa 3,24 × 103 kg/m3, während die Dichte des Lagerstahls etwa 7,8 × 103 kg/m3 beträgt, was nur etwa 40% der Dichte des Lagerstahls beträgt. Das Lager kann die Erhöhung der Rollelementlast einschränken, die durch die Zentrifugalkraft bei hoher Geschwindigkeit gedreht wird.
Linearer Expansionskoeffizient
Der lineare Expansionskoeffizient des Siliziumnitrids beträgt etwa 1/4 des Lagerstahls. Die Größenänderung mit der Temperatur ist daher gering. Daher ist es vorteilhaft, in der Umgebung mit großer Temperaturänderung zu verwenden.
Härte, Elastizitätskoeffizient, Poisson -Verhältnis
Da der elastische Siliziumnitrid etwa das 1,5 -fache des Lagerstahls beträgt, ist die elastische Verformung der relativen Belastung gering und die Starrheit der relativen Belastung hoch.
Korrosionsresistenz, nichtmagnetische Isolierung
Wenn Stahllager für Maschinen verwendet werden, die in chemischen Maschinenausrüstungen, Lebensmitteln, Meeres- und anderen Abteilungen verwendet werden, ist Korrosion ein Problem. In einer starken magnetischen Umgebung wird das feine Pulver, das vom Lager selbst abnimmt, zwischen dem Rollelement und dem Rolloberfläche adsorbiert.
2. Herstellung des Siliziumnitrid -Keramiklagers
Vorbereitungsprozess des Siliziumnitrid -Keramik -Aluminiumenträgers -Kolbens
Herstellung von Siliziumnitridkeramikpulver
Siliziumnitridpulver für Lagerteile muss die folgenden wichtigen Eigenschaften aufweisen: hohe Reinheit; Hoch gleichmäßige und feine Partikel; α hoher Phasengehalt. Die am besten geeignete Methode zur Herstellung von Siliziumnitridpulver ist die Kohlenhilfe -Reduktionsnitridationsmethode mit der Reaktionsformel von 3sio2+6c+2n2 = Si3N4+6co. Das durch diese Methode erhaltene Pulver hat weniger Metallverunreinigungen, hohe Reinheit und feine Partikel, α hohen Phasengehalt und erfüllt die Anforderungen von Materialien für Lagerteile.
Bildung von Siliziumnitrid -Keramiklager -verwandten Teilen
Es gibt viele Vorbereitungsmethoden zu Siliziumnitrid -Keramiklager -verwandten Teilen wie Reaktionssintern, heißem Presssentern, unter Druck stehender Sintern und sekundäres Reaktionssintern. Um ein vollständig dichtes Siliziumnitridmaterial zu erhalten, ist die heiße isostatische Pressemethode ideal.
Bearbeitung von Siliziumnitrid -Keramiklager -verwandten Teilen
Die Bearbeitung von Siliziumnitrid -Keramiklager -verwandten Teilen ähnelt im Wesentlichen der von Lagerstahlteilen, und der Schleifmechanismus ist im Grunde der gleiche. Aufgrund der großen Unterschiede zwischen verschiedenen Eigenschaften von Siliziumnitrid und Stahl gibt es jedoch erhebliche Unterschiede in den Schleifwerkzeugen, Verarbeitungsfaktoren, Schleifmischungen usw. bei der mechanischen Verarbeitung und den Anforderungen der Zirkoniakeramik. Jedes Prozess für die Partikelgröße, Art, Art, Art, Art, Art, Art, Art, Art, Art, Typ , Form, Menge, Festigkeit, Quetschmerkmale, Verschleißeigenschaften usw. von Schleifmitteln sind unterschiedlich. Gegenwärtig umfassen die Schleifmittel hauptsächlich Siliziumcarbid, Borkarbid, Diamantpulver usw.
Versammlung des Silizium -Nitrid -Keramiklagers
Im Allgemeinen bestehen die Rolllager aus vier Hauptteilen, nämlich äußerer Ring, innerem Ring, Rollelement und Käfig. Da es zehn Kategorien von Rolllagern gibt, verwenden verschiedene Arten von Lagern unterschiedliche Käfigformen, sodass auch die Assemblermethoden von Lagern unterschiedlich sind.
Das Silizium -Nitrid -Keramiklager als wichtige mechanische Grundkomponente ist aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften, mit denen andere Lager nicht übereinstimmen, in der neuen materiellen Welt führend. In den letzten Jahren, in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Navigation, Kernindustrie, Erdöl, Chemieindustrie, leichte Textilindustrie, Maschinen, Metallurgie, elektrische Kraft, Lebensmittel, Lokomotive, U-Bahn, Hochgeschwindigkeitsmaschine, wissenschaftliche Forschung, Verteidigung und Militärtechnologie usw., Siliziumnitrid-Keramik-Lager werden unter speziellen Arbeitsbedingungen wie hoher Temperatur, hoher Geschwindigkeit, tiefer Kälte, brennbar, explosiv, starker Korrosion, Vakuum, elektrischer Isolierung, nicht magnetisch, trockener Reibung usw. als unverzichtbare Ersatzstoffe wie hohe Temperatur, hoher Geschwindigkeit, tiefe Kälte, brennbar, trockener Reibung anerkannt.
Eigenschaften des Silizium -Nitrid -Keramik -Substrats:
Mit der Miniaturisierung von leistungsstarken elektronischen Geräten und ihren Komponenten ist die Wärmeabteilung zu einem Schlüsselfaktor, der die Leistung und Zuverlässigkeit beeinflusst. Da ein hoher Wärmefluss zu einer Leistungsverschlechterung und einer verkürzten Lebensdauer führt, ist das Kühlersystem bei verschiedenen Wärmeableitungen nützlich und bequem für die Miniaturisierung, da es Teil des mikroelektronischen Verpackungssystems werden kann.
LED -Keramik -Substrat
Wie wir alle wissen, ist die während des Betriebs von Halbleitergeräten erzeugte Wärme der Schlüsselfaktor, der das Versagen von Halbleitervorrichtungen verursacht, und die thermische Leitfähigkeit des elektrischen Isoliersubstrats ist der Schlüssel zur Wärmeableitung der gesamten Halbleitergeräte. Der Kühler besteht aus einer Metallschicht und einem Keramiksubstrat wie Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und Aluminiumoxid. Unter diesen Keramik-Substraten wird Siliziumnitrid aufgrund seiner hervorragenden thermischen Leitfähigkeit (60-90 W/mk), hoher mechanischer Festigkeit (650-850 MPa) und niedriger Expansionskoeffizienten als vielversprechend angesehen. Tatsächlich wird ein Siliziumnitrid -Keramik -Substrat normalerweise durch direktes Bindungskupfer (DBC) und DPC -Prozesse (Direktkupperbeschichtung) abgelagert. DBC erreicht eine verbesserte Adhäsion durch mechanische Verriegelung zwischen dem bei hohen Temperatur abgelagerten Metallfilm und dem Substrat, während DPC eine erhöhte Adhäsion durch die Bildung einer Samenschicht durch Vakuumabscheidung erreicht.
Darüber hinaus sind aufgrund der komplexen mechanischen Umgebung wie Turbulenz und Vibration auch Substratmaterialien mit einer bestimmten mechanischen Zuverlässigkeit erforderlich. Siliziumnitrid -Keramik -Substrat ist in allen Aspekten relativ ausgewogen und das strukturelle Keramikmaterial mit der besten umfassenden Leistung. Daher weist Siliziumnitrid eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf dem Gebiet der keramischen Substrate für elektronische Geräte auf.
Aluminiumnitrid -Keramik -Substrat
In der Vergangenheit waren Schaltungssubstrate planare Materialien, die aus diskreten Komponenten oder integrierten Schaltkreisen und diskreten Komponenten bestanden, um die funktionalen Anforderungen des Gesamtkreises zu erfüllen. Es erfordert nur elektrische Isolierung und Leitfähigkeit. Nach dem Eintritt in das intelligente Informationsalter ist auch elektronische Stromausrüstung erforderlich, um die elektrische Energie umzuwandeln und zu steuern, was die Anforderungen an die elektrische Steuerung und die Leistungsumwandlungsleistung des Geräts sowie Betriebsstromverbrauch erheblich verbessert. Dementsprechend kann das gemeinsame Substrat nicht mehr den hohen Anforderungen an die Reduzierung des thermischen Widerstands komplexer Leistungsgeräte, zur Steuerung der Arbeitstemperatur und zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit erfüllen, und das Keramik -Substrat mit einer besseren Leistung muss ersetzt werden.
Nach den Leistungsanforderungen von elektronischen Geräten auf dem Keramiksubstrat müssen die Substratmaterialien die folgenden Eigenschaften haben:
1. Gute Isolierung und elektrische Bannungs -Keramikflanschwiderstand;
2. Hohe Wärmeleitfähigkeit: Die thermische Leitfähigkeit wirkt sich direkt auf die Arbeitsbedingungen und die Lebensdauer von Halbleitern aus. Das durch schlechte Wärmeissipation verursachte ungleiche Temperaturfeld erhöht auch das Rauschen elektronischer Geräte erheblich.
3. Der thermische Expansionskoeffizient stimmt mit anderen im Paket verwendeten Materialien überein.
4. Hochfrequenzeigenschaften, niedrige Dielektrizitätskonstante, niedriger dielektrischer Verlust;
5. Die Oberfläche ist glatt und die Dicke gleichmäßig, was zum Drucken der Schaltung auf der Oberfläche des Substrats geeignet ist und die gleichmäßige Dicke des gedruckten Stromkreises gewährleistet.
Keramik -Substrat
Derzeit sind die am weitesten verbreiteten keramischen Substratmaterialien hauptsächlich Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid. Wie vergleicht Siliziumnitrid mit seiner Leistung? Die folgende Tabelle zeigt, dass die drei Keramik-Substratmaterialien offensichtliche Vorteile haben, insbesondere die hohe Temperaturbeständigkeit von Siliziumnitrid-Keramik-Substratmaterialien unter hohen Temperaturbedingungen, chemischer Inertheit gegen Metalle, ultrahöhe Härte, Frakturzähigkeit und andere mechanische Eigenschaften.
Warum wird es auf dem Markt immer noch selten verwendet, da Siliziumnitrid so ausgezeichnet ist? Wo ist seine Entwicklungsmöglichkeit?
Tatsächlich hat jedes der drei Materialien seine Vor- und Nachteile. Obwohl die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumoxid schlecht ist und nicht mit dem Entwicklungstrend des Hochleistungs-Halbleiters Schritt halten kann, ist der Herstellungsprozess ausgereift und die Kosten sind niedrig, so . Die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumnitrid wird am besten mit der von Halbleitermaterialien abgestimmt. Es kann in High-End-Industrien eingesetzt werden, aber seine mechanische Leistung ist schlecht, was die Lebensdauer von Halbleitergeräten beeinflusst, und seine Nutzungskosten sind hoch. Siliziumnitrid ist die beste in der umfassenden Leistung, aber die Einstiegsschwelle ist hoch.
Gegenwärtig untersuchen viele inländische wissenschaftliche Forschungsinstitute und Unternehmen, aber die Technologie ist schwierig, die Produktionskosten sind hoch, der Markt ist klein und eine große Anwendung ist noch nicht aufgetreten. Dies ist auch der Grund, warum viele Unternehmen immer noch darauf warten, die Investitionen zu erhöhen und sich nicht entschieden haben. Aber jetzt ist die Situation anders, da die Welt in eine kritische Zeit für die Entwicklung des Halbleiter der dritten Generation eingetreten ist. Siliziumnitrid -Keramiksubstrate haben in den USA und Japan reife Produkte. China hat in dieser Hinsicht noch einen langen Weg vor sich.
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