حالياً،كربيد السيليكون (SiC)مادة سيراميكية موصلة للحرارة، تُدرس بنشاط محليًا ودوليًا. تتميز كربيد السيليكون (SiC) بموصلية حرارية نظرية عالية جدًا، ويمكن أن تصل بعض أشكال البلورات إلى 270 واط/متر كلفن، وهي بالفعل رائدة بين المواد غير الموصلة. على سبيل المثال، يُمكن ملاحظة استخدامات الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون في مواد ركيزة أجهزة أشباه الموصلات، والمواد السيراميكية عالية الموصلية الحرارية، والسخانات وألواح التسخين المستخدمة في معالجة أشباه الموصلات، ومواد الكبسولات المستخدمة في الوقود النووي، وحلقات إحكام الغاز لمضخات الضاغط.
تطبيقكربيد السيليكونفي مجال أشباه الموصلات
تُعد أقراص وتجهيزات الطحن من معدات المعالجة المهمة لإنتاج رقائق السيليكون في صناعة أشباه الموصلات. إذا صُنع قرص الطحن من الحديد الزهر أو الفولاذ الكربوني، فإن عمره الافتراضي قصير ومعامل تمدده الحراري كبير. أثناء معالجة رقائق السيليكون، وخاصةً أثناء الطحن أو التلميع عالي السرعة، يصعب ضمان استواء رقاقة السيليكون وتوازيها بسبب التآكل والتشوه الحراري لقرص الطحن. قرص الطحن المصنوع من...سيراميك كربيد السيليكونيتميز بتآكل منخفض بسبب صلابته العالية، ومعامل التمدد الحراري الخاص به هو نفسه تقريبًا مثل معامل الرقائق السيليكونية، لذلك يمكن طحنه وتلميعه بسرعة عالية.
بالإضافة إلى ذلك، عند إنتاج رقائق السيليكون، يجب معالجتها حرارياً في درجات حرارة عالية، وغالبًا ما تُنقل باستخدام تجهيزات كربيد السيليكون. تتميز هذه الرقائق بمقاومتها للحرارة وعدم إتلافها. يمكن وضع طبقة من الكربون الشبيه بالماس (DLC) وطلاءات أخرى على السطح لتحسين الأداء، وتخفيف تلف الرقاقة، ومنع انتشار التلوث.
علاوةً على ذلك، تُمثّل مواد كربيد السيليكون أحادية البلورة، باعتبارها مُمثلةً لمواد أشباه الموصلات واسعة النطاق من الجيل الثالث، خصائصَ مثل عرض فجوة نطاق واسع (حوالي ثلاثة أضعاف السيليكون)، وموصلية حرارية عالية (حوالي 3.3 أضعاف السيليكون أو 10 أضعاف زرنيخيد الغاليوم)، ومعدل هجرة تشبع إلكتروني مرتفع (حوالي 2.5 ضعف السيليكون)، وحقل كهربائي عالي الانهيار (حوالي 10 أضعاف السيليكون أو 5 أضعاف زرنيخيد الغاليوم). تُعوّض أجهزة كربيد السيليكون عيوب أجهزة مواد أشباه الموصلات التقليدية في التطبيقات العملية، وتُصبح تدريجيًا من أهمّ أشباه الموصلات الكهربائية.
لقد زاد الطلب على سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري بشكل كبير
مع التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا، ازداد الطلب على استخدام سيراميك كربيد السيليكون في مجال أشباه الموصلات بشكل كبير، وتُعدّ الموصلية الحرارية العالية مؤشرًا رئيسيًا لتطبيقها في مكونات معدات تصنيع أشباه الموصلات. لذلك، من الضروري تعزيز البحث في سيراميك كربيد السيليكون عالي الموصلية الحرارية. ومن أهم الطرق لتحسين الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون تقليل محتوى الأكسجين في الشبكة، وتحسين الكثافة، وتنظيم توزيع الطور الثاني فيها بشكل معقول.
حاليًا، لا توجد دراسات تُجرى على سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري في بلدي، ولا تزال هناك فجوة كبيرة مقارنةً بالمستوى العالمي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية ما يلي:
● تعزيز أبحاث عملية تحضير مسحوق سيراميك كربيد السيليكون. يُعدّ تحضير مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء ومنخفض الأكسجين أساسًا لتحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي الموصلية الحرارية؛
● تعزيز اختيار مساعدات التلبيد والبحوث النظرية ذات الصلة؛
تعزيز البحث والتطوير في مجال معدات التلبيد عالية الجودة. يُعدّ تنظيم عملية التلبيد للحصول على بنية دقيقة مناسبة شرطًا أساسيًا للحصول على سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري.
إجراءات لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك كربيد السيليكون
يكمن مفتاح تحسين التوصيل الحراري لسيراميك كربيد السيليكون (SiC) في تقليل تردد تشتت الفونون وزيادة متوسط مسار الفونون الحر. ويمكن تحسين التوصيل الحراري لسيراميك كربيد السيليكون بفعالية من خلال تقليل مسامية وكثافة حدود حبيبات سيراميك كربيد السيليكون، وتحسين نقاء حدود حبيبات كربيد السيليكون، وتقليل شوائب أو عيوب الشبكة، وزيادة ناقل تدفق الحرارة في كربيد السيليكون. وفي الوقت الحالي، يُعد تحسين نوع ومحتوى مساعدات التلبيد والمعالجة الحرارية عالية الحرارة من الإجراءات الرئيسية لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك كربيد السيليكون.
① تحسين نوع ومحتوى مساعدات التلبيد
غالبًا ما تُضاف مُساعدات التلبيد المختلفة عند تحضير سيراميك كربيد السيليكون عالي الموصلية الحرارية. من بين هذه المُساعدات، يؤثر نوع ومحتوى مُساعدات التلبيد بشكل كبير على الموصلية الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون. على سبيل المثال، تذوب عناصر الألومنيوم أو الأكسجين في نظام Al2O3 بسهولة في شبكة كربيد السيليكون، مما يُؤدي إلى فراغات وعيوب، مما يؤدي إلى زيادة تردد تشتت الفونون. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان محتوى مُساعدات التلبيد منخفضًا، يصعب تلبيد المادة وتكثيفها، بينما يؤدي ارتفاع محتوى مُساعدات التلبيد إلى زيادة الشوائب والعيوب. كما قد تُعيق مُساعدات التلبيد في الطور السائل نمو حبيبات كربيد السيليكون وتُقلل من متوسط المسار الحر للفونونات. لذلك، من أجل تحضير سيراميك SiC ذو الموصلية الحرارية العالية، من الضروري تقليل محتوى مساعدات التلبيد قدر الإمكان مع تلبية متطلبات كثافة التلبيد، ومحاولة اختيار مساعدات التلبيد التي يصعب إذابتها في شبكة SiC.
*الخصائص الحرارية لسيراميك SiC عند إضافة مساعدات التلبيد المختلفة
حاليًا، تتمتع سيراميكات SiC المضغوطة حراريًا والمُلبدة بأكسيد البيوتان (BeO) كعامل مساعد للتلبيد بأقصى موصلية حرارية في درجة حرارة الغرفة (270 واط/م³/ك³). ومع ذلك، يُعدّ أكسيد البيوتان مادة شديدة السمية ومسرطنة، وغير مناسبة للاستخدام على نطاق واسع في المختبرات أو المجالات الصناعية. أدنى نقطة انصهار لنظام Y2O3-Al2O3 هي 1760 درجة مئوية، وهي مادة مساعدة شائعة للتلبيد في الطور السائل لسيراميكات SiC. ومع ذلك، نظرًا لسهولة ذوبان Al3+ في شبكة SiC، فعند استخدام هذا النظام كعامل مساعد للتلبيد، تكون الموصلية الحرارية في درجة حرارة الغرفة لسيراميكات SiC أقل من 200 واط/م³/ك³.
العناصر الأرضية النادرة، مثل Y، Sm، Sc، Gd، وLa، ليست قابلة للذوبان بسهولة في شبكة SiC، وتتميز بتقارب عالٍ للأكسجين، مما يُقلل بشكل فعال من محتوى الأكسجين في الشبكة. لذلك، يُعد نظام Y2O3-RE2O3 (RE=Sm، Sc، Gd، La) مساعد تلبيد شائعًا لتحضير سيراميك SiC عالي التوصيل الحراري (>200 واط·متر-1·كلفن-1). وبأخذ مساعد التلبيد بنظام Y2O3-Sc2O3 كمثال، نجد أن قيمة انحراف الأيونات لكل من Y3+ وSi4+ كبيرة، ولا يذوبان في محلول صلب. أما ذوبان Sc في SiC النقي عند درجة حرارة تتراوح بين 1800 و2600 درجة مئوية، فهو صغير، حوالي (2~3)×1017 ذرة·سم-3.
② المعالجة الحرارية عالية الحرارة
تُساعد المعالجة الحرارية عالية الحرارة لسيراميك كربيد السيليكون (SiC) على إزالة عيوب الشبكة، والخلع، والإجهادات المتبقية، مما يُعزز التحول الهيكلي لبعض المواد غير المتبلورة إلى بلورات، ويُضعف تأثير تشتت الفونون. بالإضافة إلى ذلك، تُعزز المعالجة الحرارية عالية الحرارة نمو حبيبات كربيد السيليكون بفعالية، مما يُحسّن في نهاية المطاف خصائصها الحرارية. على سبيل المثال، بعد المعالجة الحرارية عالية الحرارة عند 1950 درجة مئوية، ارتفع معامل الانتشار الحراري لسيراميك كربيد السيليكون من 83.03 مم² ثانية إلى 89.50 مم² ثانية، وازدادت الموصلية الحرارية في درجة حرارة الغرفة من 180.94 واط² متر² كلفن إلى 192.17 واط² متر² كلفن. تُحسّن المعالجة الحرارية عالية الحرارة بشكل فعال قدرة مُساعد التلبيد على إزالة الأكسدة على سطح كربيد السيليكون والشبكة، وتُعزز الترابط بين حبيبات كربيد السيليكون. بعد المعالجة الحرارية عالية الحرارة، تم تحسين الموصلية الحرارية لدرجة حرارة الغرفة لسيراميك SiC بشكل كبير.
وقت النشر: ٢٤ أكتوبر ٢٠٢٤