For tiden,siliciumcarbid (SiC)er et termisk ledende keramisk materiale, der aktivt studeres i ind- og udland. Den teoretiske termiske ledningsevne af SiC er meget høj, og nogle krystalformer kan nå 270 W/mK, hvilket allerede er førende blandt ikke-ledende materialer. For eksempel kan anvendelsen af SiC-termisk ledningsevne ses i substratmaterialerne i halvlederkomponenter, keramiske materialer med høj termisk ledningsevne, varmelegemer og varmeplader til halvlederbehandling, kapselmaterialer til nukleart brændsel og gasforseglingsringe til kompressorpumper.
Anvendelse afsiliciumcarbidinden for halvlederområdet
Slibeskiver og -fiksturer er vigtigt procesudstyr til produktion af siliciumskiver i halvlederindustrien. Hvis slibeskiven er lavet af støbejern eller kulstofstål, er dens levetid kort, og dens termiske udvidelseskoefficient er stor. Under bearbejdning af siliciumskiver, især under højhastighedsslibning eller polering, er det vanskeligt at garantere siliciumskivens fladhed og parallelitet på grund af slid og termisk deformation af slibeskiven. Slibeskiven er lavet afsiliciumcarbid keramikhar lav slid på grund af sin høje hårdhed, og dens termiske udvidelseskoefficient er stort set den samme som siliciumwafers, så den kan slibes og poleres ved høj hastighed.
Derudover skal siliciumskiver, når de produceres, gennemgå højtemperaturvarmebehandling og transporteres ofte ved hjælp af siliciumkarbidbeslag. De er varmebestandige og ikke-destruktive. Diamantlignende kulstof (DLC) og andre belægninger kan påføres overfladen for at forbedre ydeevnen, afhjælpe skader på skiverne og forhindre spredning af kontaminering.
Derudover har siliciumcarbid-enkrystalmaterialer, som en repræsentant for tredjegenerations halvledermaterialer med bredt båndgab, egenskaber som stor båndgabsbredde (ca. 3 gange så stor som Si), høj termisk ledningsevne (ca. 3,3 gange så stor som Si eller 10 gange så stor som GaAs), høj elektronmætningsmigrationshastighed (ca. 2,5 gange så stor som Si) og et højt gennembrudselektrisk felt (ca. 10 gange så stor som Si eller 5 gange så stor som GaAs). SiC-komponenter kompenserer for manglerne ved traditionelle halvledermaterialekomponenter i praktiske anvendelser og er gradvist ved at blive mainstream inden for effekthalvledere.
Efterspørgslen efter siliciumcarbidkeramik med høj varmeledningsevne er steget dramatisk
Med den kontinuerlige udvikling af videnskab og teknologi er efterspørgslen efter anvendelse af siliciumcarbidkeramik inden for halvlederområdet steget dramatisk, og høj termisk ledningsevne er en nøgleindikator for dens anvendelse i komponenter til halvlederproduktion. Derfor er det afgørende at styrke forskningen i siliciumcarbidkeramik med høj termisk ledningsevne. Reduktion af iltindholdet i gitteret, forbedring af densiteten og en rimelig regulering af fordelingen af den anden fase i gitteret er de vigtigste metoder til at forbedre den termiske ledningsevne af siliciumcarbidkeramik.
Der findes i øjeblikket få undersøgelser af siliciumcarbidkeramik med høj varmeledningsevne i mit land, og der er stadig en stor forskel i forhold til verdensplan. Fremtidige forskningsretninger omfatter:
● Styrk forskningen i fremstillingsprocessen for siliciumcarbidkeramikpulver. Fremstillingen af siliciumcarbidpulver med høj renhed og lavt iltindhold er grundlaget for fremstillingen af siliciumcarbidkeramik med høj varmeledningsevne;
● Styrk udvælgelsen af sintringshjælpemidler og relateret teoretisk forskning;
● Styrk forskning og udvikling af avanceret sintringsudstyr. Ved at regulere sintringsprocessen for at opnå en rimelig mikrostruktur er det en nødvendig betingelse for at opnå siliciumcarbidkeramik med høj varmeledningsevne.
Foranstaltninger til forbedring af siliciumcarbidkeramikens varmeledningsevne
Nøglen til at forbedre SiC-keramikkens termiske ledningsevne er at reducere fononspredningsfrekvensen og øge fononens gennemsnitlige frie vej. SiC's termiske ledningsevne vil blive effektivt forbedret ved at reducere porøsiteten og korngrænsetætheden af SiC-keramik, forbedre renheden af SiC-korngrænser, reducere SiC-gitterurenheder eller gitterdefekter og øge varmeoverføringsbæreren i SiC. I øjeblikket er optimering af typen og indholdet af sintringshjælpemidler og højtemperaturvarmebehandling de vigtigste foranstaltninger til at forbedre SiC-keramikkens termiske ledningsevne.
① Optimering af typen og indholdet af sintringshjælpemidler
Forskellige sintringshjælpemidler tilsættes ofte ved fremstilling af SiC-keramik med høj varmeledningsevne. Blandt disse har typen og indholdet af sintringshjælpemidler stor indflydelse på SiC-keramikkens varmeledningsevne. For eksempel opløses Al- eller O-elementer i Al2O3-systemets sintringshjælpemidler let i SiC-gitteret, hvilket resulterer i vakancer og defekter, hvilket fører til en stigning i fononspredningsfrekvensen. Derudover er materialet vanskeligt at sintre og densificere, hvis indholdet af sintringshjælpemidler er lavt, mens et højt indhold af sintringshjælpemidler vil føre til en stigning i urenheder og defekter. For meget sintringshjælpemidler i flydende fase kan også hæmme væksten af SiC-korn og reducere den gennemsnitlige frie vej for fononer. For at fremstille SiC-keramik med høj varmeledningsevne er det derfor nødvendigt at reducere indholdet af sintringshjælpemidler så meget som muligt, samtidig med at kravene til sintringstæthed opfyldes, og forsøge at vælge sintringshjælpemidler, der er vanskelige at opløse i SiC-gitteret.
*Termiske egenskaber af SiC-keramik, når forskellige sintringshjælpemidler tilsættes
I øjeblikket har varmpresset SiC-keramik sintret med BeO som sintringshjælpemiddel den maksimale varmeledningsevne ved stuetemperatur (270 W·m-1·K-1). BeO er dog et meget giftigt og kræftfremkaldende materiale og er ikke egnet til udbredt anvendelse i laboratorier eller industrielle områder. Det laveste eutektiske punkt for Y2O3-Al2O3-systemet er 1760 ℃, hvilket er et almindeligt flydende fase-sintringshjælpemiddel til SiC-keramik. Da Al3+ let opløses i SiC-gitteret, er den varmeledningsevne ved stuetemperatur for SiC-keramik mindre end 200 W·m-1·K-1, når dette system bruges som sintringshjælpemiddel.
Sjældne jordarter som Y, Sm, Sc, Gd og La er ikke let opløselige i SiC-gitteret og har en høj ilt-affinitet, hvilket effektivt kan reducere iltindholdet i SiC-gitteret. Derfor er Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)-systemet et almindeligt sintringshjælpemiddel til fremstilling af SiC-keramik med høj varmeledningsevne (>200W·m-1·K-1). Hvis man tager Y2O3-Sc2O3-systemets sintringshjælpemiddel som eksempel, er ionafvigelsesværdien for Y3+ og Si4+ stor, og de to undergår ikke fast opløsning. Opløseligheden af Sc i ren SiC ved 1800~2600 ℃ er lille, omkring (2~3) × 1017 atomer·cm-3.
② Højtemperaturvarmebehandling
Højtemperaturvarmebehandling af SiC-keramik er befordrende for at eliminere gitterdefekter, forskydninger og restspændinger, fremme den strukturelle omdannelse af nogle amorfe materialer til krystaller og svække fononspredningseffekten. Derudover kan højtemperaturvarmebehandling effektivt fremme væksten af SiC-korn og i sidste ende forbedre materialets termiske egenskaber. For eksempel steg den termiske diffusionskoefficient for SiC-keramik efter højtemperaturvarmebehandling ved 1950 °C fra 83,03 mm2·s-1 til 89,50 mm2·s-1, og den stuetemperaturvarmeledningsevne steg fra 180,94 W·m-1·K-1 til 192,17 W·m-1·K-1. Højtemperaturvarmebehandling forbedrer effektivt deoxidationsevnen af sintringsmidlet på SiC-overfladen og gitteret og gør forbindelsen mellem SiC-kornene tættere. Efter højtemperaturvarmebehandling er den stuetemperaturvarmeledningsevne for SiC-keramik blevet betydeligt forbedret.
Opslagstidspunkt: 24. oktober 2024