Τη στιγμή,καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένα θερμικά αγώγιμο κεραμικό υλικό που μελετάται ενεργά στην Ελλάδα και στο εξωτερικό. Η θεωρητική θερμική αγωγιμότητα του SiC είναι πολύ υψηλή και ορισμένες κρυσταλλικές μορφές μπορούν να φτάσουν τα 270W/mK, η οποία είναι ήδη κορυφαία μεταξύ των μη αγώγιμων υλικών. Για παράδειγμα, η εφαρμογή της θερμικής αγωγιμότητας του SiC μπορεί να παρατηρηθεί στα υλικά υποστρώματος ημιαγωγικών συσκευών, σε κεραμικά υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, σε θερμαντήρες και πλάκες θέρμανσης για επεξεργασία ημιαγωγών, σε υλικά κάψουλας για πυρηνικά καύσιμα και σε δακτυλίους στεγανοποίησης αερίου για αντλίες συμπιεστών.
Εφαρμογή τουκαρβίδιο του πυριτίουστον τομέα των ημιαγωγών
Οι δίσκοι λείανσης και τα εξαρτήματα είναι σημαντικός εξοπλισμός επεξεργασίας για την παραγωγή πλακιδίων πυριτίου στη βιομηχανία ημιαγωγών. Εάν ο δίσκος λείανσης είναι κατασκευασμένος από χυτοσίδηρο ή ανθρακούχο χάλυβα, η διάρκεια ζωής του είναι σύντομη και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι μεγάλος. Κατά την επεξεργασία πλακιδίων πυριτίου, ειδικά κατά την υψηλή ταχύτητα λείανσης ή στίλβωσης, λόγω της φθοράς και της θερμικής παραμόρφωσης του δίσκου λείανσης, η επιπεδότητα και ο παραλληλισμός του πλακιδίου πυριτίου είναι δύσκολο να εγγυηθούν. Ο δίσκος λείανσης είναι κατασκευασμένος από...κεραμικά καρβιδίου του πυριτίουέχει χαμηλή φθορά λόγω της υψηλής σκληρότητάς του και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι βασικά ο ίδιος με αυτόν των πλακιδίων πυριτίου, επομένως μπορεί να λειανθεί και να γυαλιστεί με υψηλή ταχύτητα.
Επιπλέον, όταν παράγονται πλακίδια πυριτίου, πρέπει να υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας και συχνά μεταφέρονται με εξαρτήματα καρβιδίου του πυριτίου. Είναι ανθεκτικά στη θερμότητα και μη καταστροφικά. Ο διαμαντοειδής άνθρακας (DLC) και άλλες επιστρώσεις μπορούν να εφαρμοστούν στην επιφάνεια για να βελτιωθεί η απόδοση, να μετριαστεί η ζημιά στα πλακίδια και να αποτραπεί η εξάπλωση της μόλυνσης.
Επιπλέον, ως εκπρόσωπος των ημιαγωγικών υλικών ευρείας ζώνης ενεργειακού χάσματος τρίτης γενιάς, τα μονοκρυσταλλικά υλικά καρβιδίου του πυριτίου έχουν ιδιότητες όπως μεγάλο πλάτος ζώνης ενεργειακού χάσματος (περίπου 3 φορές μεγαλύτερο από το Si), υψηλή θερμική αγωγιμότητα (περίπου 3,3 φορές μεγαλύτερο από το Si ή 10 φορές μεγαλύτερο από το GaAs), υψηλό ρυθμό μετανάστευσης κορεσμού ηλεκτρονίων (περίπου 2,5 φορές μεγαλύτερο από το Si) και υψηλό ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης (περίπου 10 φορές μεγαλύτερο από το Si ή 5 φορές μεγαλύτερο από το GaAs). Οι συσκευές SiC αντισταθμίζουν τα ελαττώματα των παραδοσιακών συσκευών ημιαγωγικού υλικού σε πρακτικές εφαρμογές και σταδιακά γίνονται η κύρια τάση των ημιαγωγών ισχύος.
Η ζήτηση για κεραμικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας από καρβίδιο του πυριτίου έχει αυξηθεί δραματικά.
Με τη συνεχή ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, η ζήτηση για την εφαρμογή κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου στον τομέα των ημιαγωγών έχει αυξηθεί δραματικά και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα αποτελεί βασικό δείκτη για την εφαρμογή τους σε εξαρτήματα εξοπλισμού κατασκευής ημιαγωγών. Ως εκ τούτου, είναι ζωτικής σημασίας να ενισχυθεί η έρευνα για τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Η μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο του πλέγματος, η βελτίωση της πυκνότητας και η λογική ρύθμιση της κατανομής της δεύτερης φάσης στο πλέγμα είναι οι κύριες μέθοδοι για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου.
Προς το παρόν, υπάρχουν λίγες μελέτες σχετικά με τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας στη χώρα μου και εξακολουθεί να υπάρχει μεγάλο κενό σε σύγκριση με το παγκόσμιο επίπεδο. Οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν:
●Ενίσχυση της έρευνας για τη διαδικασία παρασκευής κεραμικής σκόνης καρβιδίου του πυριτίου. Η παρασκευή σκόνης καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας και χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο αποτελεί τη βάση για την παρασκευή κεραμικών υψηλής θερμικής αγωγιμότητας από καρβίδιο του πυριτίου.
● Ενίσχυση της επιλογής βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης και της σχετικής θεωρητικής έρευνας.
●Ενίσχυση της έρευνας και ανάπτυξης εξοπλισμού πυροσυσσωμάτωσης υψηλής τεχνολογίας. Ρυθμίζοντας τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης για την επίτευξη μιας λογικής μικροδομής, αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την απόκτηση κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.
Μέτρα για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου
Το κλειδί για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών SiC είναι η μείωση της συχνότητας σκέδασης φωνονίων και η αύξηση της μέσης ελεύθερης διαδρομής φωνονίων. Η θερμική αγωγιμότητα του SiC θα βελτιωθεί αποτελεσματικά με τη μείωση του πορώδους και της πυκνότητας των ορίων των κόκκων των κεραμικών SiC, τη βελτίωση της καθαρότητας των ορίων των κόκκων SiC, τη μείωση των ακαθαρσιών ή των ελαττωμάτων του πλέγματος SiC και την αύξηση του φορέα μετάδοσης θερμότητας στο SiC. Προς το παρόν, η βελτιστοποίηση του τύπου και της περιεκτικότητας των βοηθημάτων σύντηξης και της θερμικής επεξεργασίας υψηλής θερμοκρασίας είναι τα κύρια μέτρα για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών SiC.
① Βελτιστοποίηση του τύπου και της περιεκτικότητας των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης
Διάφορα βοηθήματα σύντηξης προστίθενται συχνά κατά την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Μεταξύ αυτών, ο τύπος και η περιεκτικότητα των βοηθημάτων σύντηξης έχουν μεγάλη επίδραση στη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών SiC. Για παράδειγμα, τα στοιχεία Al ή O στα βοηθήματα σύντηξης του συστήματος Al2O3 διαλύονται εύκολα στο πλέγμα SiC, με αποτέλεσμα κενά και ελαττώματα, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της συχνότητας σκέδασης φωνονίων. Επιπλέον, εάν η περιεκτικότητα των βοηθημάτων σύντηξης είναι χαμηλή, το υλικό είναι δύσκολο να συντηχθεί και να πυκνωθεί, ενώ η υψηλή περιεκτικότητα των βοηθημάτων σύντηξης θα οδηγήσει σε αύξηση των ακαθαρσιών και των ελαττωμάτων. Η υπερβολική χρήση βοηθημάτων σύντηξης υγρής φάσης μπορεί επίσης να αναστείλει την ανάπτυξη κόκκων SiC και να μειώσει τη μέση ελεύθερη διαδρομή των φωνονίων. Επομένως, για την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, είναι απαραίτητο να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η περιεκτικότητα των βοηθημάτων σύντηξης, ικανοποιώντας παράλληλα τις απαιτήσεις της πυκνότητας σύντηξης, και να προσπαθήσουμε να επιλέξουμε βοηθήματα σύντηξης που είναι δύσκολο να διαλυθούν στο πλέγμα SiC.
*Θερμικές ιδιότητες κεραμικών SiC όταν προστίθενται διαφορετικά βοηθήματα σύντηξης
Επί του παρόντος, τα κεραμικά SiC θερμής συμπίεσης που έχουν υποστεί σύντηξη με BeO ως βοήθημα σύντηξης έχουν τη μέγιστη θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου (270W·m-1·K-1). Ωστόσο, το BeO είναι ένα εξαιρετικά τοξικό και καρκινογόνο υλικό και δεν είναι κατάλληλο για ευρεία εφαρμογή σε εργαστήρια ή βιομηχανικούς τομείς. Το χαμηλότερο ευτηκτικό σημείο του συστήματος Y2O3-Al2O3 είναι 1760℃, το οποίο είναι ένα κοινό βοήθημα σύντηξης υγρής φάσης για κεραμικά SiC. Ωστόσο, επειδή το Al3+ διαλύεται εύκολα στο πλέγμα SiC, όταν αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται ως βοήθημα σύντηξης, η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου των κεραμικών SiC είναι μικρότερη από 200W·m-1·K-1.
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών όπως τα Y, Sm, Sc, Gd και La δεν διαλύονται εύκολα στο πλέγμα SiC και έχουν υψηλή συγγένεια οξυγόνου, η οποία μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε οξυγόνο του πλέγματος SiC. Επομένως, το σύστημα Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) είναι ένα κοινό βοήθημα σύντηξης για την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής θερμικής αγωγιμότητας (>200W·m-1·K-1). Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το βοήθημα σύντηξης του συστήματος Y2O3-Sc2O3, η τιμή απόκλισης ιόντων των Y3+ και Si4+ είναι μεγάλη και τα δύο δεν υφίστανται στερεό διάλυμα. Η διαλυτότητα του Sc σε καθαρό SiC στους 1800~2600℃ είναι μικρή, περίπου (2~3)×1017atoms·cm-3.
② Θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας
Η θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας των κεραμικών SiC συμβάλλει στην εξάλειψη των ελαττωμάτων του πλέγματος, των μετατοπίσεων και των υπολειμματικών τάσεων, προωθώντας τον δομικό μετασχηματισμό ορισμένων άμορφων υλικών σε κρυστάλλους και αποδυναμώνοντας το φαινόμενο σκέδασης φωνονίων. Επιπλέον, η θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να προωθήσει αποτελεσματικά την ανάπτυξη κόκκων SiC και τελικά να βελτιώσει τις θερμικές ιδιότητες του υλικού. Για παράδειγμα, μετά από θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας στους 1950°C, ο συντελεστής θερμικής διάχυσης των κεραμικών SiC αυξήθηκε από 83,03mm2·s-1 σε 89,50mm2·s-1 και η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου αυξήθηκε από 180,94W·m-1·K-1 σε 192,17W·m-1·K-1. Η θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας βελτιώνει αποτελεσματικά την ικανότητα αποξείδωσης του βοηθητικού πυροσυσσωμάτωσης στην επιφάνεια του SiC και στο πλέγμα και καθιστά τη σύνδεση μεταξύ των κόκκων SiC πιο σφιχτή. Μετά από θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας, η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου των κεραμικών SiC έχει βελτιωθεί σημαντικά.
Ώρα δημοσίευσης: 24 Οκτωβρίου 2024