В момента,силициев карбид (SiC)е топлопроводим керамичен материал, който се изучава активно в страната и чужбина. Теоретичната топлопроводимост на SiC е много висока, като някои кристални форми могат да достигнат 270 W/mK, което вече е лидер сред непроводящите материали. Например, приложението на SiC топлопроводимостта може да се види в материалите за подложки на полупроводникови устройства, керамични материали с висока топлопроводимост, нагреватели и нагревателни плочи за обработка на полупроводници, материали за капсули за ядрено гориво и газови уплътнителни пръстени за компресорни помпи.
Приложение насилициев карбидв областта на полупроводниците
Шлифовъчните дискове и приспособленията са важно технологично оборудване за производството на силициеви пластини в полупроводниковата индустрия. Ако шлифовъчният диск е изработен от чугун или въглеродна стомана, експлоатационният му живот е кратък, а коефициентът му на термично разширение е голям. По време на обработката на силициеви пластини, особено при високоскоростно шлифоване или полиране, поради износването и термичната деформация на шлифовъчния диск, е трудно да се гарантира плоскост и успоредност на силициевата пластина. Шлифовъчният диск, изработен от...силициево-карбидна керамикаима ниско износване поради високата си твърдост, а коефициентът му на термично разширение е почти същият като този на силициевите пластини, така че може да се шлифова и полира с висока скорост.
Освен това, когато се произвеждат силициеви пластини, те трябва да преминат през високотемпературна термична обработка и често се транспортират с помощта на силициево-карбидни приспособления. Те са устойчиви на топлина и неразрушителни. Диамантеноподобен въглерод (DLC) и други покрития могат да се нанесат върху повърхността, за да се подобри производителността, да се облекчат повредите на пластините и да се предотврати разпространението на замърсяване.
Освен това, като представител на широколентовите полупроводникови материали от трето поколение, монокристалните материали от силициев карбид имат свойства като голяма ширина на забранената зона (около 3 пъти по-голяма от тази на Si), висока топлопроводимост (около 3,3 пъти по-голяма от тази на Si или 10 пъти по-голяма от тази на GaAs), висока скорост на миграция на електронно насищане (около 2,5 пъти по-голяма от тази на Si) и високо електрическо поле на пробив (около 10 пъти по-голяма от тази на Si или 5 пъти по-голяма от тази на GaAs). SiC устройствата компенсират недостатъците на традиционните полупроводникови материали в практическите приложения и постепенно се превръщат в основен елемент при силовите полупроводници.
Търсенето на силициево-карбидна керамика с висока топлопроводимост се е увеличило драстично.
С непрекъснатото развитие на науката и технологиите, търсенето на приложение на силициево-карбидна керамика в областта на полупроводниците се е увеличило драстично, а високата топлопроводимост е ключов индикатор за приложението ѝ в компонентите на оборудване за производство на полупроводници. Следователно е от решаващо значение да се засилят изследванията върху силициево-карбидната керамика с висока топлопроводимост. Намаляването на съдържанието на кислород в решетката, подобряването на плътността и разумното регулиране на разпределението на втората фаза в решетката са основните методи за подобряване на топлопроводимостта на силициево-карбидната керамика.
В момента в моята страна има малко изследвания върху силициево-карбидна керамика с висока топлопроводимост и все още има голяма разлика в сравнение със световното ниво. Бъдещите насоки на изследване включват:
● Укрепване на изследванията в процеса на приготвяне на керамичен прах от силициев карбид. Приготвянето на високочист силициев карбид на прах с ниско съдържание на кислород е основата за приготвянето на силициево-карбидна керамика с висока топлопроводимост;
● Засилване на избора на помощни средства за синтероване и свързаните с тях теоретични изследвания;
● Засилване на научноизследователската и развойна дейност в областта на висококачественото оборудване за синтероване. Чрез регулиране на процеса на синтероване, за да се получи разумна микроструктура, е необходимо условие за получаване на силициево-карбидна керамика с висока топлопроводимост.
Мерки за подобряване на топлопроводимостта на силициево-карбидната керамика
Ключът към подобряване на топлопроводимостта на SiC керамиката е намаляването на честотата на разсейване на фононите и увеличаването на средния свободен пробег на фононите. Топлопроводимостта на SiC ще бъде ефективно подобрена чрез намаляване на порьозността и плътността на границите на зърната на SiC керамиката, подобряване на чистотата на границите на зърната на SiC, намаляване на примесите или дефектите в решетката на SiC и увеличаване на носителя на топлопреминаване в SiC. Понастоящем оптимизирането на вида и съдържанието на спомагателните вещества за синтероване и високотемпературната термична обработка са основните мерки за подобряване на топлопроводимостта на SiC керамиката.
① Оптимизиране на вида и съдържанието на помощните вещества за синтероване
Различни помощни вещества за синтероване често се добавят при приготвянето на SiC керамика с висока топлопроводимост. Сред тях видът и съдържанието на помощните вещества за синтероване имат голямо влияние върху топлопроводимостта на SiC керамиката. Например, елементите Al или O в помощните вещества за синтероване на системата Al2O3 лесно се разтварят в SiC решетката, което води до образуване на ваканции и дефекти, което води до увеличаване на честотата на разсейване на фононите. Освен това, ако съдържанието на помощни вещества за синтероване е ниско, материалът е труден за синтероване и уплътняване, докато високото съдържание на помощни вещества за синтероване ще доведе до увеличаване на примесите и дефектите. Прекомерното количество помощни вещества за синтероване в течна фаза може също да потисне растежа на SiC зърната и да намали средния свободен пробег на фононите. Следователно, за да се приготви SiC керамика с висока топлопроводимост, е необходимо да се намали максимално съдържанието на помощни вещества за синтероване, като същевременно се отговаря на изискванията за плътност на синтероване, и да се опита да се изберат помощни вещества за синтероване, които са трудни за разтваряне в SiC решетката.
*Термични свойства на SiC керамиката при добавяне на различни помощни средства за синтероване
Понастоящем, горещопресованата SiC керамика, синтерована с BeO като спомагателно средство за синтероване, има максимална топлопроводимост при стайна температура (270 W·m-1·K-1). BeO обаче е силно токсичен и канцерогенен материал и не е подходящ за широко приложение в лаборатории или промишлени области. Най-ниската евтектична точка на системата Y2O3-Al2O3 е 1760℃, което е често срещано течнофазно спомагателно средство за синтероване на SiC керамика. Тъй като Al3+ обаче лесно се разтваря в SiC решетката, когато тази система се използва като спомагателно средство за синтероване, топлопроводимостта на SiC керамиката при стайна температура е по-малка от 200 W·m-1·K-1.
Редкоземните елементи като Y, Sm, Sc, Gd и La не са лесно разтворими в SiC решетката и имат висок афинитет към кислорода, което може ефективно да намали съдържанието на кислород в SiC решетката. Следователно, системата Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) е често срещано спомагателно вещество за синтероване за получаване на SiC керамика с висока топлопроводимост (>200W·m-1·K-1). Вземайки за пример спомагателното вещество за синтероване на системата Y2O3-Sc2O3, стойността на йонното отклонение на Y3+ и Si4+ е голяма и двата елемента не се разтварят в твърд разтвор. Разтворимостта на Sc в чист SiC при 1800~2600℃ е малка, около (2~3)×1017 атома·cm-3.
② Термична обработка при висока температура
Високотемпературната термична обработка на SiC керамика е благоприятна за елиминиране на дефекти в решетката, дислокации и остатъчни напрежения, насърчавайки структурната трансформация на някои аморфни материали в кристали и отслабвайки ефекта на разсейване на фонони. Освен това, високотемпературната термична обработка може ефективно да насърчи растежа на SiC зърна и в крайна сметка да подобри термичните свойства на материала. Например, след високотемпературна термична обработка при 1950°C, коефициентът на термична дифузия на SiC керамиката се е увеличил от 83.03mm2·s-1 до 89.50mm2·s-1, а топлопроводимостта при стайна температура се е увеличила от 180.94W·m-1·K-1 до 192.17W·m-1·K-1. Високотемпературната термична обработка ефективно подобрява дезоксидационната способност на спомагателното вещество за синтероване върху повърхността и решетката на SiC и прави връзката между SiC зърната по-стегната. След високотемпературна термична обработка, топлопроводимостта на SiC керамиката при стайна температура е значително подобрена.
Време на публикуване: 24 октомври 2024 г.