V současné době,karbid křemíku (SiC)je tepelně vodivý keramický materiál, který je aktivně studován doma i v zahraničí. Teoretická tepelná vodivost SiC je velmi vysoká a některé krystalové formy mohou dosáhnout 270 W/mK, což je již nyní lídr mezi nevodivými materiály. Například uplatnění tepelné vodivosti SiC lze vidět v substrátových materiálech polovodičových součástek, keramických materiálech s vysokou tepelnou vodivostí, ohřívačích a topných deskách pro zpracování polovodičů, materiálech kapslí pro jaderné palivo a těsnicích kroužcích pro plynová čerpadla kompresorů.
Aplikacekarbid křemíkuv oblasti polovodičů
Brusné kotouče a přípravky jsou důležitým procesním zařízením pro výrobu křemíkových destiček v polovodičovém průmyslu. Pokud je brusný kotouč vyroben z litiny nebo uhlíkové oceli, jeho životnost je krátká a koeficient tepelné roztažnosti velký. Během zpracování křemíkových destiček, zejména při vysokorychlostním broušení nebo leštění, je v důsledku opotřebení a tepelné deformace brusného kotouče obtížné zaručit rovinnost a rovnoběžnost křemíkové destičky. Brusný kotouč vyrobený z...keramika z karbidu křemíkuDíky vysoké tvrdosti má nízké opotřebení a jeho koeficient tepelné roztažnosti je v podstatě stejný jako u křemíkových destiček, takže jej lze brousit a leštit vysokou rychlostí.
Kromě toho, když se vyrábějí křemíkové destičky, musí podstoupit vysokoteplotní tepelné zpracování a často se přepravují pomocí upínacích přípravků z karbidu křemíku. Jsou tepelně odolné a nedestruktivní. Na povrch lze nanést diamantový uhlík (DLC) a další povlaky, které zvyšují výkon, zmírňují poškození destiček a zabraňují šíření kontaminace.
Kromě toho, jakožto zástupci polovodičových materiálů s širokým zakázaným pásmem třetí generace, mají monokrystalické materiály z karbidu křemíku vlastnosti, jako je velká šířka zakázaného pásma (přibližně 3krát větší než u Si), vysoká tepelná vodivost (přibližně 3,3krát větší než u Si nebo 10krát větší než u GaAs), vysoká rychlost migrace elektronové saturace (přibližně 2,5krát větší než u Si) a vysoké průrazné elektrické pole (přibližně 10krát větší než u Si nebo 5krát větší než u GaAs). Součástky SiC v praktických aplikacích kompenzují nedostatky tradičních polovodičových materiálů a postupně se stávají hlavním proudem výkonových polovodičů.
Poptávka po karbid křemíkové keramice s vysokou tepelnou vodivostí dramaticky vzrostla
S neustálým rozvojem vědy a techniky dramaticky vzrostla poptávka po aplikaci karbid křemíkové keramiky v oblasti polovodičů a vysoká tepelná vodivost je klíčovým ukazatelem pro její použití v součástkách zařízení pro výrobu polovodičů. Proto je zásadní posílit výzkum karbid křemíkové keramiky s vysokou tepelnou vodivostí. Hlavními metodami ke zlepšení tepelné vodivosti karbid křemíkové keramiky jsou snížení obsahu kyslíku v mřížce, zlepšení hustoty a rozumná regulace distribuce druhé fáze v mřížce.
V současné době existuje v mé zemi jen málo studií o karbid-křemíkové keramice s vysokou tepelnou vodivostí a ve srovnání se světovou úrovní je stále velká mezera. Budoucí směry výzkumu zahrnují:
●Posílit výzkum procesu přípravy keramického prášku z karbidu křemíku. Příprava vysoce čistého prášku karbidu křemíku s nízkým obsahem kyslíku je základem pro přípravu keramiky z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí;
● Posílit výběr slinovacích pomůcek a související teoretický výzkum;
●Posílit výzkum a vývoj špičkových spékacích zařízení. Regulace procesu spékání za účelem dosažení rozumné mikrostruktury je nezbytnou podmínkou pro získání keramiky z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí.
Opatření ke zlepšení tepelné vodivosti keramiky z karbidu křemíku
Klíčem ke zlepšení tepelné vodivosti SiC keramiky je snížení frekvence rozptylu fononů a zvýšení střední volné dráhy fononů. Tepelná vodivost SiC se účinně zlepší snížením pórovitosti a hustoty hranic zrn SiC keramiky, zlepšením čistoty hranic zrn SiC, snížením mřížkových nečistot nebo mřížkových defektů SiC a zvýšením nosiče tepelného toku v SiC. V současné době jsou hlavními opatřeními ke zlepšení tepelné vodivosti SiC keramiky optimalizace typu a obsahu slinovacích přísad a vysokoteplotní tepelné zpracování.
① Optimalizace typu a obsahu slinovacích pomocných látek
Při přípravě keramiky SiC s vysokou tepelnou vodivostí se často přidávají různé slinovací přísady. Mezi nimi má typ a obsah slinovacích přísad velký vliv na tepelnou vodivost keramiky SiC. Například prvky Al nebo O ve slinovacích přísadách systému Al2O3 se snadno rozpouštějí v mřížce SiC, což vede ke vzniku vakancí a defektů, což vede ke zvýšení frekvence rozptylu fononů. Kromě toho, pokud je obsah slinovacích přísad nízký, materiál se obtížně spéká a zhušťuje, zatímco vysoký obsah slinovacích přísad povede ke zvýšení nečistot a defektů. Nadměrné množství slinovacích přísad v kapalné fázi může také inhibovat růst zrn SiC a snižovat střední volnou dráhu fononů. Proto je pro přípravu keramiky SiC s vysokou tepelnou vodivostí nutné co nejvíce snížit obsah slinovacích přísad a zároveň splnit požadavky na hustotu slinování a snažit se volit slinovací přísady, které se obtížně rozpouštějí v mřížce SiC.
*Tepelné vlastnosti SiC keramiky při přidání různých slinovacích přísad
V současné době má za tepla lisovaná SiC keramika slinovaná s BeO jako slinovací přísadou maximální tepelnou vodivost při pokojové teplotě (270 W·m-1·K-1). BeO je však vysoce toxický a karcinogenní materiál, a proto není vhodný pro široké použití v laboratořích ani v průmyslu. Nejnižší eutektický bod systému Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, což je běžná kapalná fáze slinovací přísady pro SiC keramiku. Protože se však Al3+ snadno rozpouští v mřížce SiC, je při použití tohoto systému jako slinovací přísady tepelná vodivost SiC keramiky při pokojové teplotě menší než 200 W·m-1·K-1.
Prvky vzácných zemin, jako jsou Y, Sm, Sc, Gd a La, nejsou snadno rozpustné v mřížce SiC a mají vysokou afinitu ke kyslíku, což může účinně snižovat obsah kyslíku v mřížce SiC. Proto je systém Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) běžnou slinovací přísadou pro přípravu keramiky SiC s vysokou tepelnou vodivostí (>200 W·m-1·K-1). Vezměme-li si jako příklad slinovací přísadu systému Y2O3-Sc2O3, hodnota iontové odchylky Y3+ a Si4+ je velká a tyto dva iontové prvky neprocházejí pevným roztokem. Rozpustnost Sc v čistém SiC při 1800~2600 ℃ je malá, přibližně (2~3)×1017 atomů·cm-3.
② Tepelné zpracování za vysoké teploty
Vysokoteplotní tepelné zpracování SiC keramiky vede k eliminaci mřížkových defektů, dislokací a zbytkových napětí, podporuje strukturální transformaci některých amorfních materiálů na krystaly a oslabuje efekt rozptylu fononů. Kromě toho může vysokoteplotní tepelné zpracování účinně podpořit růst zrn SiC a v konečném důsledku zlepšit tepelné vlastnosti materiálu. Například po vysokoteplotním tepelném zpracování při 1950 °C se koeficient tepelné difúze SiC keramiky zvýšil z 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1 a tepelná vodivost při pokojové teplotě se zvýšila ze 180,94 W·m-1·K-1 na 192,17 W·m-1·K-1. Vysokoteplotní tepelné zpracování účinně zlepšuje deoxidační schopnost slinovací přísady na povrchu a mřížce SiC a upevňuje spojení mezi zrny SiC. Po vysokoteplotním tepelném zpracování se tepelná vodivost SiC keramiky při pokojové teplotě výrazně zlepšila.
Čas zveřejnění: 24. října 2024