الطلب على سيراميك كربيد السيليكون ذي الموصلية الحرارية العالية وتطبيقاته في مجال أشباه الموصلات

حالياً،كربيد السيليكون (SiC)يُعدّ كربيد السيليكون (SiC) مادة خزفية موصلة حراريًا، ويحظى باهتمام بحثي مكثف محليًا وعالميًا. تتميز الموصلية الحرارية النظرية لكربيد السيليكون بقيمتها العالية جدًا، حيث تصل في بعض أشكاله البلورية إلى 270 واط/متر.كلفن، ما يجعله من بين المواد غير الموصلة الرائدة. فعلى سبيل المثال، تُستخدم الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون في مواد ركائز أشباه الموصلات، ومواد خزفية عالية الموصلية الحرارية، وسخانات وألواح تسخين لمعالجة أشباه الموصلات، ومواد كبسولات الوقود النووي، وحلقات منع تسرب الغاز لمضخات الضواغط.

تطبيقكربيد السيليكونفي مجال أشباه الموصلات

تُعدّ أقراص التجليخ وتجهيزاتها من المعدات الأساسية في صناعة رقائق السيليكون في قطاع أشباه الموصلات. إذا صُنع قرص التجليخ من الحديد الزهر أو الفولاذ الكربوني، فإن عمره الافتراضي قصير ومعامل تمدده الحراري كبير. أثناء معالجة رقائق السيليكون، وخاصةً أثناء التجليخ أو التلميع عالي السرعة، يصعب ضمان استواء وتوازي رقاقة السيليكون بسبب تآكل قرص التجليخ وتشوهه الحراري.سيراميك كربيد السيليكونيتميز بانخفاض التآكل بسبب صلابته العالية، ومعامل التمدد الحراري الخاص به هو نفسه تقريبًا معامل التمدد الحراري لرقائق السيليكون، لذلك يمكن طحنه وتلميعه بسرعة عالية.

بالإضافة إلى ذلك، عند إنتاج رقائق السيليكون، تخضع لمعالجة حرارية بدرجة حرارة عالية، وغالبًا ما تُنقل باستخدام تجهيزات من كربيد السيليكون. تتميز هذه الرقائق بمقاومتها للحرارة وعدم تلفها. ويمكن تطبيق طلاءات مثل الكربون الشبيه بالماس (DLC) وغيرها على سطحها لتحسين الأداء، والحد من تلف الرقائق، ومنع انتشار التلوث.

علاوة على ذلك، وباعتبارها نموذجًا لمواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة من الجيل الثالث، تتميز بلورات كربيد السيليكون الأحادية بخصائص مثل عرض فجوة نطاق كبير (حوالي ثلاثة أضعاف عرض فجوة نطاق السيليكون)، وموصلية حرارية عالية (حوالي 3.3 أضعاف موصلية السيليكون أو 10 أضعاف موصلية زرنيخيد الغاليوم)، ومعدل هجرة تشبع إلكتروني عالٍ (حوالي 2.5 ضعف معدل هجرة السيليكون)، ومجال كهربائي انهياري عالٍ (حوالي 10 أضعاف مجال هجرة السيليكون أو 5 أضعاف مجال هجرة زرنيخيد الغاليوم). تُعالج أجهزة كربيد السيليكون عيوب أجهزة أشباه الموصلات التقليدية في التطبيقات العملية، وتُصبح تدريجيًا الخيار الرئيسي لأشباه موصلات الطاقة.

ازداد الطلب بشكل كبير على سيراميك كربيد السيليكون ذي الموصلية الحرارية العالية

مع التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا، ازداد الطلب بشكل كبير على استخدام سيراميك كربيد السيليكون في مجال أشباه الموصلات، وتُعدّ الموصلية الحرارية العالية مؤشرًا رئيسيًا لاستخدامه في مكونات معدات تصنيع أشباه الموصلات. لذا، من الضروري تعزيز البحث في سيراميك كربيد السيليكون ذي الموصلية الحرارية العالية. ويُعدّ خفض محتوى الأكسجين في الشبكة البلورية، وتحسين الكثافة، والتحكم الأمثل في توزيع الطور الثانوي في الشبكة البلورية، من أهم الطرق لتحسين الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون.

يوجد حاليًا عدد قليل من الدراسات حول سيراميك كربيد السيليكون ذي الموصلية الحرارية العالية في بلدي، ولا تزال هناك فجوة كبيرة مقارنةً بالمستوى العالمي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية ما يلي:
● تعزيز أبحاث عملية تحضير مسحوق سيراميك كربيد السيليكون. إن تحضير مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء ومنخفض الأكسجين هو الأساس لتحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري؛
● تعزيز اختيار مواد التلبيد والبحوث النظرية ذات الصلة؛
● تعزيز البحث والتطوير لمعدات التلبيد المتطورة. يُعد تنظيم عملية التلبيد للحصول على بنية مجهرية مناسبة شرطًا ضروريًا للحصول على سيراميك كربيد السيليكون ذي الموصلية الحرارية العالية.

تدابير لتحسين الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون

يكمن مفتاح تحسين الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون في تقليل تردد تشتت الفونونات وزيادة متوسط ​​المسار الحر للفونونات. ويمكن تحسين الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون بشكل فعال من خلال تقليل المسامية وكثافة حدود الحبيبات، وتحسين نقاء حدود الحبيبات، وتقليل شوائب الشبكة البلورية أو عيوبها، وزيادة قدرة كربيد السيليكون على نقل الحرارة. حاليًا، يُعد تحسين نوع وكمية مواد التلبيد المساعدة والمعالجة الحرارية عند درجات حرارة عالية من أهم التدابير لتحسين الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون.

① تحسين نوع ومحتوى مواد التلبيد المساعدة

تُضاف عادةً مواد مساعدة للتلبيد عند تحضير خزف كربيد السيليكون ذي الموصلية الحرارية العالية. ويؤثر نوع هذه المواد وكميتها تأثيرًا كبيرًا على الموصلية الحرارية لخزف كربيد السيليكون. فعلى سبيل المثال، تذوب عناصر الألومنيوم أو الأكسجين الموجودة في نظام أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) بسهولة في شبكة كربيد السيليكون، مما يؤدي إلى ظهور فراغات وعيوب، وبالتالي زيادة تردد تشتت الفونونات. إضافةً إلى ذلك، إذا كانت كمية المواد المساعدة للتلبيد منخفضة، يصعب تلبيد المادة وزيادة كثافتها، بينما تؤدي الكمية العالية منها إلى زيادة الشوائب والعيوب. كما أن الإفراط في استخدام المواد المساعدة للتلبيد في الطور السائل قد يُعيق نمو حبيبات كربيد السيليكون ويُقلل من متوسط ​​المسار الحر للفونونات. لذلك، من أجل تحضير سيراميك SiC عالي التوصيل الحراري، من الضروري تقليل محتوى مساعدات التلبيد قدر الإمكان مع تلبية متطلبات كثافة التلبيد، ومحاولة اختيار مساعدات التلبيد التي يصعب إذابتها في شبكة SiC.

الخواص الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون عند إضافة مواد مساعدة مختلفة للتلبيد

تتميز خزفيات كربيد السيليكون المضغوطة حراريًا والمُلبدة باستخدام أكسيد البريليوم كمساعد تلبيد بأعلى موصلية حرارية عند درجة حرارة الغرفة (270 واط/متر/كلفن). مع ذلك، يُعد أكسيد البريليوم مادة شديدة السمية ومسرطنة، ولا يُناسب الاستخدام الواسع النطاق في المختبرات أو المجالات الصناعية. تبلغ أدنى نقطة انصهار لنظام أكسيد الإيتريوم-أكسيد الألومنيوم 1760 درجة مئوية، وهو مساعد تلبيد شائع في الطور السائل لخزفيات كربيد السيليكون. ولكن، نظرًا لسهولة ذوبان أيونات الألومنيوم الثلاثية في شبكة كربيد السيليكون، فعند استخدام هذا النظام كمساعد تلبيد، تقل الموصلية الحرارية لخزفيات كربيد السيليكون عند درجة حرارة الغرفة عن 200 واط/متر/كلفن.

لا تذوب العناصر الأرضية النادرة، مثل الإيتريوم (Y) والساماريوم (Sm) والسكانديوم (Sc) والغادولينيوم (Gd) واللانثانوم (La)، بسهولة في شبكة كربيد السيليكون (SiC)، ولها ألفة عالية للأكسجين، مما يقلل بشكل فعال من محتوى الأكسجين في شبكة SiC. لذلك، يُعد نظام Y₂O₃-RE₂O₃ (حيث RE = Sm، Sc، Gd، La) مساعدًا شائعًا للتلبيد في تحضير خزف SiC ذي موصلية حرارية عالية (>200 واط/متر/كلفن). فعلى سبيل المثال، عند استخدام نظام Y₂O₃-Sc₂O₃ كمساعد للتلبيد، تكون قيمة انحراف أيونات Y³⁺ وSi⁴⁺ كبيرة، ولا يحدث بينهما تكوين محلول صلب. أما ذوبانية السكانديوم (Sc) في SiC النقي عند درجة حرارة 1800-2600 درجة مئوية فهي ضئيلة، حوالي (2-3) × 10¹⁷ ذرة/سم³.

② المعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية

تُسهم المعالجة الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون عند درجات حرارة عالية في إزالة عيوب الشبكة البلورية، والانخلاعات، والإجهادات المتبقية، مما يُعزز التحول البنيوي لبعض المواد غير المتبلورة إلى مواد بلورية، ويُضعف تأثير تشتت الفونونات. إضافةً إلى ذلك، تُعزز المعالجة الحرارية عند درجات حرارة عالية نمو حبيبات كربيد السيليكون، مما يُحسّن في نهاية المطاف الخواص الحرارية للمادة. على سبيل المثال، بعد المعالجة الحرارية عند درجة حرارة 1950 درجة مئوية، ارتفع معامل الانتشار الحراري لسيراميك كربيد السيليكون من 83.03 مم²/ثانية إلى 89.50 مم²/ثانية، وارتفعت الموصلية الحرارية عند درجة حرارة الغرفة من 180.94 واط/متر/كلفن إلى 192.17 واط/متر/كلفن. كما تُحسّن المعالجة الحرارية عند درجات حرارة عالية قدرة عامل التلبيد على إزالة الأكسدة من سطح كربيد السيليكون وشبكته البلورية، وتُعزز الترابط بين حبيبات كربيد السيليكون. بعد المعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية، تم تحسين الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون بشكل كبير عند درجة حرارة الغرفة.