Trenutno,silicijum karbid (SiC)je termički provodljivi keramički materijal koji se aktivno proučava u zemlji i inostranstvu. Teorijska termalna provodljivost SiC-a je vrlo visoka, a neki kristalni oblici mogu doseći 270 W/mK, što je već lider među neprovodljivim materijalima. Na primjer, primjena termalne provodljivosti SiC-a može se vidjeti u supstratnim materijalima poluprovodničkih uređaja, keramičkim materijalima visoke termalne provodljivosti, grijačima i grijaćim pločama za obradu poluprovodnika, materijalima kapsula za nuklearno gorivo i prstenovima za zaptivanje gasa za kompresorske pumpe.
Primjenasilicijum karbidu oblasti poluprovodnika
Brusni diskovi i pribori su važna procesna oprema za proizvodnju silicijumskih pločica u industriji poluprovodnika. Ako je brusni disk napravljen od lijevanog željeza ili ugljičnog čelika, njegov vijek trajanja je kratak, a koeficijent termičkog širenja velik. Tokom obrade silicijumskih pločica, posebno tokom brušenja ili poliranja velikom brzinom, zbog habanja i termičke deformacije brusnog diska, teško je garantovati ravnost i paralelnost silicijumske pločice. Brusni disk napravljen odsilicijum karbidna keramikaIma nisko trošenje zbog visoke tvrdoće, a koeficijent termičkog širenja je u osnovi isti kao i kod silicijumskih pločica, tako da se može brusiti i polirati velikom brzinom.
Osim toga, kada se proizvode silicijumske pločice, one moraju proći termičku obradu na visokim temperaturama i često se transportuju pomoću silicijum-karbidnih uređaja. Otporne su na toplotu i nedestruktivne. Dijamantskom ugljeniku (DLC) i drugim premazima se može nanijeti na površinu kako bi se poboljšale performanse, ublažila oštećenja pločica i spriječilo širenje kontaminacije.
Nadalje, kao predstavnik poluprovodničkih materijala sa širokim energetskim procjepom treće generacije, monokristalni materijali od silicijum karbida imaju svojstva kao što su velika širina energetskog procjepa (oko 3 puta veća od Si), visoka toplinska provodljivost (oko 3,3 puta veća od Si ili 10 puta veća od GaAs), visoka brzina migracije zasićenja elektrona (oko 2,5 puta veća od Si) i visoko probojno električno polje (oko 10 puta veća od Si ili 5 puta veća od GaAs). SiC uređaji nadoknađuju nedostatke tradicionalnih poluprovodničkih materijala u praktičnim primjenama i postepeno postaju glavni tok energetskih poluprovodnika.
Potražnja za silicijum-karbidnom keramikom visoke toplotne provodljivosti dramatično je porasla
S kontinuiranim razvojem nauke i tehnologije, potražnja za primjenom silicijum-karbidne keramike u oblasti poluprovodnika dramatično se povećala, a visoka toplotna provodljivost je ključni pokazatelj za njenu primjenu u komponentama opreme za proizvodnju poluprovodnika. Stoga je ključno ojačati istraživanje silicijum-karbidne keramike visoke toplotne provodljivosti. Smanjenje sadržaja kisika u rešetki, poboljšanje gustine i razumna regulacija raspodjele druge faze u rešetki su glavne metode za poboljšanje toplotne provodljivosti silicijum-karbidne keramike.
Trenutno u mojoj zemlji postoji malo studija o silicijum-karbidnoj keramici visoke toplotne provodljivosti, i još uvijek postoji veliki jaz u poređenju sa svjetskim nivoom. Budući pravci istraživanja uključuju:
●Ojačati istraživanje procesa pripreme keramičkog praha silicijum karbida. Priprema praha silicijum karbida visoke čistoće sa niskim sadržajem kiseonika je osnova za pripremu keramike silicijum karbida visoke toplotne provodljivosti;
● Pojačati odabir pomoćnih sredstava za sinterovanje i srodna teorijska istraživanja;
●Jačanje istraživanja i razvoja vrhunske opreme za sinterovanje. Regulisanjem procesa sinterovanja radi dobijanja razumne mikrostrukture, neophodan je uslov za dobijanje silicijum-karbidne keramike visoke toplotne provodljivosti.
Mjere za poboljšanje toplinske provodljivosti silicijum-karbidne keramike
Ključ za poboljšanje toplinske provodljivosti SiC keramike je smanjenje frekvencije raspršenja fonona i povećanje srednjeg slobodnog puta fonona. Toplinska provodljivost SiC će se efikasno poboljšati smanjenjem poroznosti i gustoće granica zrna SiC keramike, poboljšanjem čistoće granica zrna SiC, smanjenjem nečistoća ili defekata rešetke SiC i povećanjem nosioca toplotnog toka u SiC. Trenutno su optimizacija vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinterovanje i termička obrada na visokim temperaturama glavne mjere za poboljšanje toplinske provodljivosti SiC keramike.
① Optimizacija vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinterovanje
Različita pomoćna sredstva za sinterovanje često se dodaju prilikom pripreme SiC keramike visoke toplotne provodljivosti. Među njima, vrsta i sadržaj pomoćnih sredstava za sinterovanje imaju veliki uticaj na toplotnu provodljivost SiC keramike. Na primjer, Al ili O elementi u pomoćnim sredstvima za sinterovanje Al2O3 sistema se lako rastvaraju u SiC rešetki, što rezultira prazninama i defektima, što dovodi do povećanja frekvencije raspršenja fonona. Osim toga, ako je sadržaj pomoćnih sredstava za sinterovanje nizak, materijal je teško sinterovati i zgušnjavati, dok će visok sadržaj pomoćnih sredstava za sinterovanje dovesti do povećanja nečistoća i defekata. Prekomjerna pomoćna sredstva za sinterovanje u tečnoj fazi također mogu inhibirati rast SiC zrna i smanjiti srednji slobodni put fonona. Stoga, da bi se pripremila SiC keramika visoke toplotne provodljivosti, potrebno je što više smanjiti sadržaj pomoćnih sredstava za sinterovanje, a istovremeno ispuniti zahtjeve gustine sinterovanja, te pokušati odabrati pomoćna sredstva za sinterovanje koja se teško rastvaraju u SiC rešetki.
*Toplinska svojstva SiC keramike kada se dodaju različita sredstva za sinterovanje
Trenutno, vruće presovana SiC keramika sinterovana sa BeO kao pomoćnim sredstvom za sinterovanje ima maksimalnu toplotnu provodljivost na sobnoj temperaturi (270 W·m-1·K-1). Međutim, BeO je visoko toksičan i kancerogen materijal, te nije pogodan za široku primjenu u laboratorijama ili industrijskim oblastima. Najniža eutektička tačka sistema Y2O3-Al2O3 je 1760℃, što je uobičajeno pomoćno sredstvo za sinterovanje SiC keramike u tečnoj fazi. Međutim, budući da se Al3+ lako rastvara u SiC rešetki, kada se ovaj sistem koristi kao pomoćno sredstvo za sinterovanje, toplotna provodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi je manja od 200 W·m-1·K-1.
Rijetkozemni elementi poput Y, Sm, Sc, Gd i La nisu lako rastvorljivi u SiC rešetki i imaju visok afinitet prema kisiku, što može efikasno smanjiti sadržaj kisika u SiC rešetki. Stoga je sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) uobičajeno pomoćno sredstvo za sinterovanje za pripremu SiC keramike visoke toplinske provodljivosti (>200W·m-1·K-1). Uzimajući pomoćno sredstvo za sinterovanje sistema Y2O3-Sc2O3 kao primjer, vrijednost odstupanja iona Y3+ i Si4+ je velika, i ta dva ne podliježu čvrstom rastvoru. Rastvorljivost Sc u čistom SiC na 1800~2600℃ je mala, oko (2~3)×1017 atoma·cm-3.
② Visokotemperaturna termička obrada
Visokotemperaturna termička obrada SiC keramike pogoduje eliminaciji defekata rešetke, dislokacija i zaostalih napona, potičući strukturnu transformaciju nekih amorfnih materijala u kristale i slabeći efekt raspršenja fonona. Osim toga, visokotemperaturna termička obrada može efikasno potaknuti rast SiC zrna i na kraju poboljšati termička svojstva materijala. Na primjer, nakon visokotemperaturne termičke obrade na 1950°C, koeficijent termičke difuzije SiC keramike povećao se sa 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1, a toplotna provodljivost na sobnoj temperaturi povećala se sa 180,94 W·m-1·K-1 na 192,17 W·m-1·K-1. Visokotemperaturna termička obrada efikasno poboljšava sposobnost deoksidacije pomoćnog sredstva za sinterovanje na površini i rešetki SiC-a, te čini vezu između SiC zrna čvršćom. Nakon visokotemperaturne termičke obrade, toplotna provodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi je značajno poboljšana.
Vrijeme objave: 24. oktobar 2024.