Actualmente,carburo de silicio (SiC)El SiC es un material cerámico termoconductor que se estudia activamente a nivel nacional e internacional. Su conductividad térmica teórica es muy alta, y algunas formas cristalinas pueden alcanzar los 270 W/mK, lo que lo convierte en un material líder entre los materiales no conductores. Por ejemplo, la conductividad térmica del SiC se puede observar en materiales de sustrato para dispositivos semiconductores, materiales cerámicos de alta conductividad térmica, calentadores y placas calefactoras para el procesamiento de semiconductores, materiales para cápsulas de combustible nuclear y anillos de sellado de gas para bombas de compresores.
Aplicación decarburo de silicioen el campo de los semiconductores
Los discos y accesorios de rectificado son equipos de proceso importantes para la producción de obleas de silicio en la industria de semiconductores. Si el disco de rectificado está hecho de hierro fundido o acero al carbono, su vida útil es corta y su coeficiente de expansión térmica es alto. Durante el procesamiento de obleas de silicio, especialmente durante el rectificado o pulido a alta velocidad, debido al desgaste y la deformación térmica del disco de rectificado, la planitud y el paralelismo de la oblea de silicio son difíciles de garantizar. El disco de rectificado hecho decerámica de carburo de silicioTiene un bajo desgaste debido a su alta dureza y su coeficiente de expansión térmica es básicamente el mismo que el de las obleas de silicio, por lo que se puede moler y pulir a alta velocidad.
Además, durante la producción de obleas de silicio, estas deben someterse a un tratamiento térmico de alta temperatura y, a menudo, se transportan utilizando accesorios de carburo de silicio. Son resistentes al calor y no destructivas. Se pueden aplicar recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) y otros recubrimientos en la superficie para mejorar el rendimiento, mitigar los daños en las obleas y evitar la propagación de la contaminación.
Además, como representante de los materiales semiconductores de banda prohibida ancha de tercera generación, los materiales monocristalinos de carburo de silicio presentan propiedades como una gran banda prohibida (aproximadamente tres veces la del silicio), alta conductividad térmica (aproximadamente 3,3 veces la del silicio o diez veces la del GaAs), alta tasa de migración de saturación electrónica (aproximadamente 2,5 veces la del silicio) y un alto campo eléctrico de ruptura (aproximadamente diez veces la del silicio o cinco veces la del GaAs). Los dispositivos de SiC compensan las deficiencias de los materiales semiconductores tradicionales en aplicaciones prácticas y se están convirtiendo gradualmente en la corriente principal de los semiconductores de potencia.
La demanda de cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica ha aumentado drásticamente.
Con el continuo desarrollo de la ciencia y la tecnología, la demanda de cerámica de carburo de silicio en el campo de los semiconductores ha aumentado drásticamente, y su alta conductividad térmica es un indicador clave para su aplicación en componentes de equipos de fabricación de semiconductores. Por lo tanto, es crucial fortalecer la investigación sobre cerámica de carburo de silicio de alta conductividad térmica. Reducir el contenido de oxígeno en la red, mejorar la densidad y regular razonablemente la distribución de la segunda fase en la red son los principales métodos para mejorar la conductividad térmica de la cerámica de carburo de silicio.
Actualmente, existen pocos estudios sobre cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica en mi país, y aún existe una gran brecha con respecto al nivel mundial. Las futuras líneas de investigación incluyen:
● Fortalecer la investigación sobre el proceso de preparación de polvo cerámico de carburo de silicio. La preparación de polvo cerámico de carburo de silicio de alta pureza y bajo contenido de oxígeno es la base para la preparación de cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica.
● Fortalecer la selección de auxiliares de sinterización y la investigación teórica relacionada;
● Fortalecer la investigación y el desarrollo de equipos de sinterización de alta gama. Ajustar el proceso de sinterización para obtener una microestructura adecuada es fundamental para obtener cerámica de carburo de silicio con alta conductividad térmica.
Medidas para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de carburo de silicio
La clave para mejorar la conductividad térmica de la cerámica de SiC reside en reducir la frecuencia de dispersión de fonones y aumentar su trayectoria libre media. La conductividad térmica del SiC se mejorará eficazmente reduciendo la porosidad y la densidad del límite de grano, mejorando la pureza de los límites de grano, reduciendo las impurezas o defectos reticulares y aumentando el portador de transmisión del flujo térmico. Actualmente, la optimización del tipo y el contenido de los auxiliares de sinterización y el tratamiento térmico a alta temperatura son las principales medidas para mejorar la conductividad térmica de la cerámica de SiC.
① Optimización del tipo y contenido de los auxiliares de sinterización
Al preparar cerámicas de SiC de alta conductividad térmica, se suelen añadir diversos auxiliares de sinterización. Entre ellos, el tipo y el contenido de auxiliares de sinterización influyen considerablemente en la conductividad térmica de las cerámicas de SiC. Por ejemplo, los elementos Al u O del sistema Al₂O₃ se disuelven fácilmente en la red de SiC, lo que genera vacantes y defectos que aumentan la frecuencia de dispersión de fonones. Además, si el contenido de auxiliares de sinterización es bajo, el material es difícil de sinterizar y densificar, mientras que un contenido alto de auxiliares de sinterización provocará un aumento de impurezas y defectos. Un exceso de auxiliares de sinterización en fase líquida también puede inhibir el crecimiento de los granos de SiC y reducir el recorrido libre medio de los fonones. Por lo tanto, para preparar cerámicas de SiC con alta conductividad térmica, es necesario reducir el contenido de coadyuvantes de sinterización tanto como sea posible mientras se cumplen los requisitos de densidad de sinterización y tratar de elegir coadyuvantes de sinterización que sean difíciles de disolver en la red de SiC.
*Propiedades térmicas de la cerámica de SiC cuando se añaden diferentes coadyuvantes de sinterización
Actualmente, la cerámica de SiC prensada en caliente sinterizada con BeO como auxiliar de sinterización presenta la máxima conductividad térmica a temperatura ambiente (270 W·m⁻¹·K⁻¹). Sin embargo, el BeO es un material altamente tóxico y cancerígeno, por lo que no es apto para aplicaciones generalizadas en laboratorios ni en la industria. El punto eutéctico más bajo del sistema Y₂O₃-Al₂O₃ es de 1760 °C, un auxiliar común de sinterización en fase líquida para la cerámica de SiC. No obstante, dado que el Al₃+ se disuelve fácilmente en la red de SiC, cuando este sistema se utiliza como auxiliar de sinterización, la conductividad térmica a temperatura ambiente de la cerámica de SiC es inferior a 200 W·m⁻¹·K⁻¹.
Los elementos de tierras raras como Y, Sm, Sc, Gd y La no son fácilmente solubles en la red de SiC y presentan una alta afinidad por el oxígeno, lo que puede reducir eficazmente el contenido de oxígeno en la red de SiC. Por lo tanto, el sistema Y₂O₃-RE₂O₃ (RE=Sm, Sc, Gd, La) es un auxiliar de sinterización común para la preparación de cerámicas de SiC con alta conductividad térmica (>200 W·m⁻¹·K⁻¹). Tomando como ejemplo el auxiliar de sinterización del sistema Y₂O₃-Sc₂O₃, la desviación iónica de Y₃+ y Si₃+ es alta, y ambos no experimentan disolución sólida. La solubilidad de Sc en SiC puro a 1800-2600 °C es pequeña, aproximadamente (2-3) × 10⁻¹ átomos·cm⁻¹.
② Tratamiento térmico de alta temperatura
El tratamiento térmico a alta temperatura de la cerámica de SiC permite eliminar defectos de red, dislocaciones y tensiones residuales, promoviendo la transformación estructural de algunos materiales amorfos en cristales y debilitando el efecto de dispersión de fonones. Además, el tratamiento térmico a alta temperatura puede promover eficazmente el crecimiento de los granos de SiC y, en última instancia, mejorar las propiedades térmicas del material. Por ejemplo, tras el tratamiento térmico a alta temperatura a 1950 °C, el coeficiente de difusión térmica de la cerámica de SiC aumentó de 83,03 mm²·s⁻¹ a 89,50 mm²·s⁻¹, y la conductividad térmica a temperatura ambiente aumentó de 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ a 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. El tratamiento térmico a alta temperatura mejora eficazmente la capacidad de desoxidación del coadyuvante de sinterización en la superficie y la red de SiC, y estrecha la unión entre los granos de SiC. Después del tratamiento térmico de alta temperatura, la conductividad térmica a temperatura ambiente de la cerámica de SiC se ha mejorado significativamente.
Hora de publicación: 24 de octubre de 2024