질화규소(Si3N4) 세라믹은 질화규소 분말을 원료로 성형, 소결 등의 공정을 거쳐 만들어진 비금속 소재로 우수한 종합적 특성을 갖고 있습니다. 질화규소 세라믹 소재는 내마모성, 내식성(불화수소산과 농축 NaOH를 제외한 모든 산과 염기에 대한 저항성), 내열성(1800도 이상의 고온에 견디고 최대 사용온도는 1400도), 높은 파괴인성(다른 세라믹 소재에 비해 훨씬 높음), 높은 열전도율 등 일반 금속소재와 고분자 소재가 따라잡기 힘든 뛰어난 물리화학적 특성을 갖고 있다. 금속이나 고분자 재료가 감당할 수 없는 가혹한 작업 환경을 견딜 수 있으므로 질화규소 세라믹 재료는 많은 기존 재료를 대체할 수 있으며 여러 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 고품질의 분말은 고성능 질화규소 세라믹을 제조하기 위한 기반이며, 저비용의 분말 제조 기술은 질화규소 세라믹의 광범위한 적용에 핵심입니다. 질화규소 분말의 주요 제조 방법에는 직접 규소 분말 질화, 자가 전파 합성, 탄소열 환원 및 열분해가 포함됩니다.
직접 실리콘 분말 질화. 실리콘 분말은 질소, 암모니아 또는 기타 질소 함유 대기와 직접 반응하여 질화규소 분말을 형성합니다. 이 방법은 공정이 상대적으로 성숙하고 대규모 생산이 가능하며 생산 비용이 상대적으로 낮고 대부분의 국내외 기업에서 채택하고 있습니다.
자가 전파 고온 합성(SHS). 원리는 원료가 점화된 후 반응이 완료될 때까지 미반응 영역으로 반응이 확산되는 것입니다. 외부 열원이 필요 없고 자체 연소로 필요한 열을 제공하는 것이 특징이다. 이 분말 제조 방법은 고효율, 에너지 절약, 환경 보호 등의 장점이 있지만, 분말 제조 시 반응 속도가 너무 빠르기 때문에 반응 과정을 제어하기가 어렵습니다.
탄수화물 감소 방법. SiO2를 실리콘 소스로, 탄소를 환원제로 사용하여 N2 분위기 하에서 1400도 이상의 온도에서 탄소 환원 및 질화 반응을 통해 질화규소를 합성합니다. 이 방법에 사용되는 원료는 가격이 저렴하고, 제조된 분말제품은 입자크기가 작고, 반응속도가 빠르고, -Si3N4 함량이 높아 대규모 생산에 적합하다. 그러나 제조된 질화규소 분말에는 잔류탄소나 탄화규소가 함유되어 있는 경우가 많아 제조된 분말의 순도가 높지 않아 제품의 품질 및 용도에 영향을 미치게 된다.
실리콘이미드 열분해법. 계면반응과 열분해를 통해 상대적으로 상 함량이 높은 Si3N4 분말을 제조하는 방법. 이 방법은 제조가 어렵고 기술 장벽이 높으며 원료 순도에 대한 요구 사항이 높습니다. 안정한 고체이미드규소(Si(NH)2)를 얻기가 쉽지 않다는 것이 어려운 점이다. 이 방법을 사용하면 고순도, 고품질의 질화규소 분말을 생산할 수 있습니다.
실리콘 이미드 열분해 방법의 공정 흐름도
02 다양한 응용 분야: 세 가지 주요 제품이 고급 소재 트랙을 장악
질화 규소 세라믹 제품에는 주로 세라믹 기판, 세라믹 볼 및 구조 부품의 세 가지 주요 범주가 포함됩니다. 현재 세라믹 기판 및 고급 열간 등압 성형(HIP) 세라믹 볼 분야는 Kyocera, Toshiba Materials, Maruwa, CoorsTek 등 일본과 미국 기업이 여전히 주도하고 있는 반면, 국내 기업에는 주로 Sinoma Advanced Materials, Guoci Jinsheng, Hengyang Kaixin 등이 있습니다.
세라믹 기판
질화규소는 90-120 W/(m·k)에 달하는 열전도율, 3.2×10-6/도의 열팽창 계수, 우수한 기계적 강도, 우수한 화학적 안정성 및 열충격 저항성을 갖춘 최고의 종합 성능을 갖춘 세라믹 기판 재료로 간주됩니다. 3세대 반도체 장치 및 고전력 밀도 애플리케이션의 급속한 발전으로 고성능 세라믹 기판에 대한 시장 수요가 계속 증가하고 있으며 질화규소 기판은 점차 고급 전력 모듈의 중요한 기술 경로 중 하나로 자리잡고 있습니다.
질화규소 세라믹 시트, 이미지 출처: Ferrotec
현재 업계에서 질화규소 세라믹 기판을 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 유기 테이프 캐스팅입니다. 먼저, 질화규소 분말, 분산제, 소결조제, 유기용매를 1차 볼밀링으로 혼합하고, 동시에 분말을 필요한 입자 크기로 볼밀링하는 단계; 볼밀링된 슬러리에 바인더와 가소제를 첨가하여 2차 볼밀링을 수행하여 균일하게 혼합하는 단계; 소포 후 필요한 슬러리가 얻어집니다. 상기 슬러리를 테이프 캐스팅용 테이프 캐스팅기에 첨가하여 성형체를 얻은 후, 성형체를 필요한 크기로 절단하고, 바인더 제거 및 소결을 거쳐 최종적으로 소결된 질화규소 세라믹 기판을 얻는다. 소결방식에는 주로 반응소결(RS), 열간가압소결(HPS), 무압력소결(PLS), 가스압력소결(GPS) 등이 있다.
포장에 사용하기 전에 세라믹 기판을 금속화해야 합니다. 즉, 전자 부품을 연결하고 회로의 전도성 기능을 실현하기 위해 세라믹 표면에 구리 도금 또는 구리 코팅으로 전도성 층을 형성해야 합니다. 일반적인 세라믹 금속화 공정에는 DPC, DBC 및 AMB가 포함됩니다.
중국의 질화규소 세라믹 산업은 상대적으로 늦게 시작되었습니다. 고급 질화 규소 세라믹 제품은 일부 핵심 성과 지표에서 여전히 외국과 비교하여 격차가 있고 일부는 수입에 의존하지만 중저가 제품은 기본적으로 국내 생산을 달성했습니다. 이러한 격차는 주로 기술 향상, 수입 장비 의존도, 불안정한 제품 품질, 불합리한 산업 구조 및 부족한 시장 개발에 반영됩니다.
세라믹 볼
강철 볼과 비교하여 질화 규소 세라믹 볼은 높은 한계 속도, 강한 하중 지지력, 고온 저항, 산 및 알칼리 내식성 등의 장점을 가지며 특정 자기 윤활 특성도 나타냅니다. 전동체로서 절대적인 이점을 갖고 있어 고속 베어링에 널리 사용되며 고속, 고정밀 베어링의 핵심 구성 요소가 되었습니다.
질화규소 세라믹 볼의 제조 공정은 먼저 치밀하고 강도가 높은 세라믹 볼 소결체 블랭크를 얻은 다음 블랭크를 정밀 가공하여 필요한 크기, 진원도 및 거칠기를 달성하는 것입니다. 준비 공정은 일반적으로 원료 준비, 성형체 형성, 고온 소결 및 분쇄의 4단계로 구성됩니다. 건식성형은 성형효율이 높고, 성형주기가 짧으며, 바인더 함량이 낮다는 장점이 있어 Si3N4 세라믹볼의 산업화에 선호되는 성형방법이다. 건식 성형에는 건식 프레싱과 등방성 프레싱이 포함되며, 두 가지 모두 Si3N4 세라믹 볼의 성형체 성형에 일반적으로 사용됩니다.
질화규소 세라믹볼의 대량생산에 적합한 소결방식으로는 가스압력소결(GPS)과 열간등압압착소결(HIP)이 있다. 그 중 열간 등압 성형 기술은 가스를 압력 매체로 사용하고 소결 시 몸체의 모든 방향에 동일한 압력을 가해 고온, 고압에서 세라믹의 치밀화를 달성합니다. 고성능 질화규소 세라믹 볼을 제조하기 위한 최고의 공정입니다.
GPS 질화규소와 HIP 질화규소의 특성 비교표
소결 후 질화 규소 세라믹 볼은 연삭, 연마 및 초 마무리 공정을 포함하여 높은 정밀도와 낮은 거칠기 요구 사항을 충족하기 위해 표면 마무리가 필요합니다.
세라믹 구조 부품
정밀 세라믹 구조 부품은 반도체 장비의 핵심 부품으로, 이들의 연구, 개발, 생산은 반도체 산업 발전에 직접적인 영향을 미칩니다. 질화 규소는 열팽창 계수가 낮고 열전도도가 높으며 화학적 부식 저항성이 뛰어나고 열충격 저항성이 뛰어납니다. 열간 압착 소결 Si3N4는 경도가 매우 높고 내열성이 매우 뛰어납니다. 강도는 1200도에서 감소하지 않고 유지되며 가열 후에도 액체로 녹지 않습니다. 최고의 종합 성능을 지닌 세라믹 소재라 불리며, 웨이퍼 캐리어, 히터, 식각기 부품 등을 제조하는 반도체 장비에 사용됩니다.
질화규소 세라믹 구조 부품, 이미지 출처: CeramTec
03 요약
질화규소의 미래 증분 시장은 전통적인 구조용 세라믹에서 보다 고부가가치 응용 분야로 확대되고 있습니다. 전력반도체에는 높은 열전도율, 고신뢰성 세라믹 기판이 필요합니다. 신에너지 차량에는 높은 내마모성, 높은 신뢰성의 세라믹 볼 및 관련 부품이 필요합니다. 반도체 장비에는 고순도, 저오염, 내식성 정밀 세라믹 구조 부품이 필요합니다. 지속적인 기술 혁신으로 질화 규소 세라믹의 고급 산업화 및 국내 대체를 위한 넓은 공간이 있으며 미래 개발 잠재력이 엄청납니다.