Actualment,carbur de silici (SiC)és un material ceràmic tèrmicament conductor que s'estudia activament tant a nivell nacional com internacional. La conductivitat tèrmica teòrica del SiC és molt alta, i algunes formes cristal·lines poden arribar als 270 W/mK, cosa que ja la situa com a líder entre els materials no conductors. Per exemple, l'aplicació de la conductivitat tèrmica del SiC es pot veure en els materials de substrat de dispositius semiconductors, materials ceràmics d'alta conductivitat tèrmica, escalfadors i plaques de calefacció per al processament de semiconductors, materials de càpsula per a combustible nuclear i anells de segellat de gas per a bombes de compressor.
Aplicació decarbur de silicien el camp dels semiconductors
Els discs i els accessoris de mòlta són equips de procés importants per a la producció d'oblies de silici a la indústria dels semiconductors. Si el disc de mòlta està fet de ferro colat o acer al carboni, la seva vida útil és curta i el seu coeficient d'expansió tèrmica és gran. Durant el processament d'oblies de silici, especialment durant la mòlta o el polit d'alta velocitat, a causa del desgast i la deformació tèrmica del disc de mòlta, la planitud i el paral·lelisme de l'oblia de silici són difícils de garantir. El disc de mòlta fet deceràmica de carbur de silicité un baix desgast a causa de la seva alta duresa, i el seu coeficient d'expansió tèrmica és bàsicament el mateix que el de les oblies de silici, de manera que es pot polir i polir a alta velocitat.
A més, quan es produeixen oblies de silici, cal sotmetre-les a un tractament tèrmic d'alta temperatura i sovint es transporten mitjançant accessoris de carbur de silici. Són resistents a la calor i no destructives. El carboni similar al diamant (DLC) i altres recobriments es poden aplicar a la superfície per millorar el rendiment, alleujar els danys a les oblies i evitar que la contaminació s'estengui.
A més, com a representant dels materials semiconductors de banda ampla de tercera generació, els materials monocristallins de carbur de silici tenen propietats com ara una gran amplada de banda prohibida (aproximadament 3 vegades la del Si), una alta conductivitat tèrmica (aproximadament 3,3 vegades la del Si o 10 vegades la del GaAs), una alta taxa de migració de saturació d'electrons (aproximadament 2,5 vegades la del Si) i un camp elèctric de ruptura elevat (aproximadament 10 vegades la del Si o 5 vegades la del GaAs). Els dispositius de SiC compensen els defectes dels dispositius de materials semiconductors tradicionals en aplicacions pràctiques i s'estan convertint gradualment en el corrent principal dels semiconductors de potència.
La demanda de ceràmica de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica ha augmentat dràsticament
Amb el desenvolupament continu de la ciència i la tecnologia, la demanda d'aplicació de ceràmiques de carbur de silici en el camp dels semiconductors ha augmentat dràsticament, i l'alta conductivitat tèrmica és un indicador clau per a la seva aplicació en components d'equips de fabricació de semiconductors. Per tant, és crucial enfortir la recerca sobre ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica. La reducció del contingut d'oxigen de la xarxa, la millora de la densitat i la regulació raonable de la distribució de la segona fase a la xarxa són els principals mètodes per millorar la conductivitat tèrmica de les ceràmiques de carbur de silici.
Actualment, hi ha pocs estudis sobre ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica al meu país, i encara hi ha una gran diferència en comparació amb el nivell mundial. Les futures línies de recerca inclouen:
● Enfortir la investigació del procés de preparació de pols ceràmica de carbur de silici. La preparació de pols de carbur de silici d'alta puresa i baix contingut d'oxigen és la base per a la preparació de ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica;
● Enfortir la selecció d'ajudes per a la sinterització i la recerca teòrica relacionada;
● Enfortir la recerca i el desenvolupament d'equips de sinterització d'alta gamma. Regulant el procés de sinterització per obtenir una microestructura raonable, és una condició necessària per obtenir ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica.
Mesures per millorar la conductivitat tèrmica de les ceràmiques de carbur de silici
La clau per millorar la conductivitat tèrmica de la ceràmica de SiC és reduir la freqüència de dispersió de fonons i augmentar el camí lliure mitjà dels fonons. La conductivitat tèrmica del SiC es millorarà eficaçment reduint la porositat i la densitat del límit de gra de la ceràmica de SiC, millorant la puresa dels límits de gra de SiC, reduint les impureses o defectes de xarxa de SiC i augmentant el portador de transmissió de flux de calor en SiC. Actualment, l'optimització del tipus i el contingut dels ajudes de sinterització i el tractament tèrmic a alta temperatura són les principals mesures per millorar la conductivitat tèrmica de la ceràmica de SiC.
① Optimització del tipus i contingut dels ajudes de sinterització
Sovint s'afegeixen diversos ajudes de sinterització quan es preparen ceràmiques de SiC d'alta conductivitat tèrmica. Entre ells, el tipus i el contingut dels ajudes de sinterització tenen una gran influència en la conductivitat tèrmica de les ceràmiques de SiC. Per exemple, els elements d'Al o O dels ajudes de sinterització del sistema Al2O3 es dissolen fàcilment a la xarxa de SiC, donant lloc a vacants i defectes, cosa que condueix a un augment de la freqüència de dispersió de fonons. A més, si el contingut d'ajudes de sinterització és baix, el material és difícil de sinteritzar i densificar, mentre que un contingut elevat d'ajudes de sinterització conduirà a un augment de les impureses i els defectes. L'excés d'ajudes de sinterització en fase líquida també pot inhibir el creixement dels grans de SiC i reduir el recorregut lliure mitjà dels fonons. Per tant, per preparar ceràmiques de SiC d'alta conductivitat tèrmica, cal reduir el contingut d'ajudes de sinterització tant com sigui possible, complint els requisits de densitat de sinterització i intentant triar ajudes de sinterització que siguin difícils de dissoldre a la xarxa de SiC.
*Propietats tèrmiques de la ceràmica de SiC quan s'hi afegeixen diferents ajudes de sinterització
Actualment, les ceràmiques de SiC premsades en calent i sinteritzades amb BeO com a ajudant de sinterització tenen la màxima conductivitat tèrmica a temperatura ambient (270 W·m-1·K-1). Tanmateix, el BeO és un material altament tòxic i cancerigen, i no és adequat per a una aplicació generalitzada en laboratoris o camps industrials. El punt eutèctic més baix del sistema Y2O3-Al2O3 és de 1760 ℃, que és un ajudant de sinterització en fase líquida comú per a les ceràmiques de SiC. Tanmateix, com que l'Al3+ es dissol fàcilment a la xarxa de SiC, quan aquest sistema s'utilitza com a ajudant de sinterització, la conductivitat tèrmica a temperatura ambient de les ceràmiques de SiC és inferior a 200 W·m-1·K-1.
Els elements de terres rares com ara Y, Sm, Sc, Gd i La no són fàcilment solubles en la xarxa de SiC i tenen una alta afinitat per l'oxigen, cosa que pot reduir eficaçment el contingut d'oxigen de la xarxa de SiC. Per tant, el sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) és un ajut de sinterització comú per preparar ceràmiques de SiC d'alta conductivitat tèrmica (>200W·m-1·K-1). Prenent com a exemple l'ajut de sinterització del sistema Y2O3-Sc2O3, el valor de desviació iònica de Y3+ i Si4+ és gran, i els dos no experimenten una solució sòlida. La solubilitat de Sc en SiC pur a 1800~2600℃ és petita, aproximadament (2~3)×1017àtoms·cm-3.
② Tractament tèrmic a alta temperatura
El tractament tèrmic a alta temperatura de la ceràmica de SiC ajuda a eliminar defectes de xarxa, dislocacions i tensions residuals, promovent la transformació estructural d'alguns materials amorfs a cristalls i debilitant l'efecte de dispersió de fonons. A més, el tractament tèrmic a alta temperatura pot promoure eficaçment el creixement dels grans de SiC i, en última instància, millorar les propietats tèrmiques del material. Per exemple, després del tractament tèrmic a alta temperatura a 1950 °C, el coeficient de difusió tèrmica de la ceràmica de SiC va augmentar de 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1, i la conductivitat tèrmica a temperatura ambient va augmentar de 180,94 W·m-1·K-1 a 192,17 W·m-1·K-1. El tractament tèrmic a alta temperatura millora eficaçment la capacitat de desoxidació de l'adjuvant de sinterització a la superfície i la xarxa de SiC, i fa que la connexió entre els grans de SiC sigui més estreta. Després del tractament tèrmic a alta temperatura, la conductivitat tèrmica a temperatura ambient de la ceràmica de SiC ha millorat significativament.
Data de publicació: 24 d'octubre de 2024