Tans,silikonkarbied (SiC)is 'n termies geleidende keramiekmateriaal wat aktief tuis en in die buiteland bestudeer word. Die teoretiese termiese geleidingsvermoë van SiC is baie hoog, en sommige kristalvorme kan 270 W/mK bereik, wat reeds 'n leier onder nie-geleidende materiale is. Byvoorbeeld, die toepassing van SiC-termiese geleidingsvermoë kan gesien word in die substraatmateriale van halfgeleiertoestelle, keramiekmateriale met hoë termiese geleidingsvermoë, verwarmers en verwarmingsplate vir halfgeleierverwerking, kapsulemateriale vir kernbrandstof en gasseëlringe vir kompressorpompe.
Toepassing vansilikonkarbiedin die halfgeleierveld
Slypskywe en toebehore is belangrike prosestoerusting vir die produksie van silikonwafers in die halfgeleierbedryf. As die slypskyf van gietyster of koolstofstaal gemaak is, is die lewensduur daarvan kort en die termiese uitbreidingskoëffisiënt groot. Tydens die verwerking van silikonwafers, veral tydens hoëspoed-slyp of polering, as gevolg van die slytasie en termiese vervorming van die slypskyf, is die platheid en parallelisme van die silikonwafer moeilik om te waarborg. Die slypskyf is gemaak vansilikonkarbied keramiekhet lae slytasie as gevolg van sy hoë hardheid, en sy termiese uitbreidingskoëffisiënt is basies dieselfde as dié van silikonwafers, so dit kan teen hoë spoed geslyp en gepoleer word.
Daarbenewens, wanneer silikonwafers vervaardig word, moet hulle hoëtemperatuur-hittebehandeling ondergaan en word hulle dikwels met behulp van silikonkarbied-toebehore vervoer. Hulle is hittebestand en nie-vernietigend. Diamantagtige koolstof (DLC) en ander bedekkings kan op die oppervlak aangewend word om werkverrigting te verbeter, waferskade te verlig en te voorkom dat kontaminasie versprei.
Verder, as 'n verteenwoordiger van die derde-generasie wye-bandgaping halfgeleiermateriale, het silikonkarbied enkelkristalmateriale eienskappe soos groot bandgapingwydte (ongeveer 3 keer dié van Si), hoë termiese geleidingsvermoë (ongeveer 3.3 keer dié van Si of 10 keer dié van GaAs), hoë elektronversadigingsmigrasietempo (ongeveer 2.5 keer dié van Si) en hoë deurslag-elektriese veld (ongeveer 10 keer dié van Si of 5 keer dié van GaAs). SiC-toestelle maak op vir die defekte van tradisionele halfgeleiermateriaaltoestelle in praktiese toepassings en word geleidelik die hoofstroom van kraghalfgeleiers.
Die vraag na silikonkarbied-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë het dramaties toegeneem
Met die voortdurende ontwikkeling van wetenskap en tegnologie het die vraag na die toepassing van silikonkarbied-keramiek in die halfgeleierveld dramaties toegeneem, en hoë termiese geleidingsvermoë is 'n sleutelaanwyser vir die toepassing daarvan in komponente van halfgeleiervervaardigingstoerusting. Daarom is dit van kardinale belang om die navorsing oor silikonkarbied-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë te versterk. Die vermindering van die suurstofinhoud van die rooster, die verbetering van die digtheid en die redelike regulering van die verspreiding van die tweede fase in die rooster is die belangrikste metodes om die termiese geleidingsvermoë van silikonkarbied-keramiek te verbeter.
Tans is daar min studies oor silikonkarbied-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë in my land, en daar is steeds 'n groot gaping in vergelyking met wêreldvlak. Toekomstige navorsingsrigtings sluit in:
● Versterk die voorbereidingsprosesnavorsing van silikonkarbied-keramiekpoeier. Die voorbereiding van silikonkarbiedpoeier met hoë suiwerheid en lae suurstof is die basis vir die voorbereiding van silikonkarbied-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë;
● Versterk die seleksie van sinterhulpmiddels en verwante teoretiese navorsing;
● Versterk die navorsing en ontwikkeling van hoë-end sintertoerusting. Deur die sinterproses te reguleer om 'n redelike mikrostruktuur te verkry, is dit 'n noodsaaklike voorwaarde om silikonkarbied-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë te verkry.
Maatreëls om die termiese geleidingsvermoë van silikonkarbiedkeramiek te verbeter
Die sleutel tot die verbetering van die termiese geleidingsvermoë van SiC-keramiek is om die fononverspreidingsfrekwensie te verminder en die fonon se gemiddelde vrye pad te verhoog. Die termiese geleidingsvermoë van SiC sal effektief verbeter word deur die porositeit en korrelgrensdigtheid van SiC-keramiek te verminder, die suiwerheid van SiC-korrelgrense te verbeter, SiC-roosteronsuiwerhede of roosterdefekte te verminder, en die hittevloei-oordragdraer in SiC te verhoog. Tans is die optimalisering van die tipe en inhoud van sinterhulpmiddels en hoëtemperatuur-hittebehandeling die belangrikste maatreëls om die termiese geleidingsvermoë van SiC-keramiek te verbeter.
① Optimalisering van die tipe en inhoud van sinterhulpmiddels
Verskeie sinterhulpmiddels word dikwels bygevoeg wanneer SiC-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë voorberei word. Onder hulle het die tipe en inhoud van sinterhulpmiddels 'n groot invloed op die termiese geleidingsvermoë van SiC-keramiek. Byvoorbeeld, Al- of O-elemente in die Al2O3-stelsel se sinterhulpmiddels word maklik in die SiC-rooster opgelos, wat lei tot vakante plekke en defekte, wat lei tot 'n toename in die fononverspreidingsfrekwensie. Boonop, as die inhoud van sinterhulpmiddels laag is, is die materiaal moeilik om te sinter en te verdik, terwyl 'n hoë inhoud van sinterhulpmiddels sal lei tot 'n toename in onsuiwerhede en defekte. Oormatige vloeibare fase-sinterhulpmiddels kan ook die groei van SiC-korrels inhibeer en die gemiddelde vrye pad van fonone verminder. Daarom, om SiC-keramiek met hoë termiese geleidingsvermoë voor te berei, is dit nodig om die inhoud van sinterhulpmiddels soveel as moontlik te verminder terwyl aan die vereistes van sinterdigtheid voldoen word, en probeer om sinterhulpmiddels te kies wat moeilik is om in die SiC-rooster op te los.
*Termiese eienskappe van SiC-keramiek wanneer verskillende sinterhulpmiddels bygevoeg word
Tans het warmgeperste SiC-keramiek wat met BeO2 as 'n sinterhulpmiddel gesinter is, die maksimum kamertemperatuur-termiese geleidingsvermoë (270 W·m-1·K-1). BeO2 is egter 'n hoogs giftige materiaal en karsinogeen, en is nie geskik vir wydverspreide toepassing in laboratoriums of industriële velde nie. Die laagste eutektiese punt van die Y2O3-Al2O3-stelsel is 1760 ℃, wat 'n algemene vloeistoffase-sinterhulpmiddel vir SiC-keramiek is. Aangesien Al3+ egter maklik in die SiC-rooster oplos, is die kamertemperatuur-termiese geleidingsvermoë van SiC-keramiek minder as 200 W·m-1·K-1 wanneer hierdie stelsel as 'n sinterhulpmiddel gebruik word.
Skaars aardelemente soos Y, Sm, Sc, Gd en La is nie maklik oplosbaar in SiC-rooster nie en het 'n hoë suurstofaffiniteit, wat die suurstofinhoud van die SiC-rooster effektief kan verminder. Daarom is die Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)-stelsel 'n algemene sinterhulpmiddel vir die voorbereiding van hoë termiese geleidingsvermoë (>200W·m-1·K-1) SiC-keramiek. As ons die Y2O3-Sc2O3-stelsel sinterhulpmiddel as voorbeeld neem, is die ioonafwykingswaarde van Y3+ en Si4+ groot, en die twee ondergaan nie vaste oplossing nie. Die oplosbaarheid van Sc in suiwer SiC by 1800~2600 ℃ is klein, ongeveer (2~3)×1017atome·cm-3.
② Hoë temperatuur hittebehandeling
Hoëtemperatuur-hittebehandeling van SiC-keramiek is bevorderlik vir die uitskakeling van roosterdefekte, ontwrigtings en residuele spanning, wat die strukturele transformasie van sommige amorfe materiale na kristalle bevorder en die fononverstrooiingseffek verswak. Boonop kan hoëtemperatuur-hittebehandeling die groei van SiC-korrels effektief bevorder en uiteindelik die termiese eienskappe van die materiaal verbeter. Byvoorbeeld, na hoëtemperatuur-hittebehandeling by 1950°C het die termiese diffusiekoëffisiënt van SiC-keramiek toegeneem van 83.03mm2·s-1 tot 89.50mm2·s-1, en die kamertemperatuur-termiese geleidingsvermoë het toegeneem van 180.94W·m-1·K-1 tot 192.17W·m-1·K-1. Hoëtemperatuur-hittebehandeling verbeter die deoksidasievermoë van die sinterhulpmiddel op die SiC-oppervlak en rooster effektief en maak die verbinding tussen SiC-korrels stywer. Na hoëtemperatuur-hittebehandeling is die kamertemperatuur-termiese geleidingsvermoë van SiC-keramiek aansienlik verbeter.
Plasingstyd: 24 Okt-2024