Actualmente,carburo de silicio (SiC)El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico termoconductor que se estudia activamente tanto a nivel nacional como internacional. Su conductividad térmica teórica es muy alta, y algunas formas cristalinas pueden alcanzar los 270 W/mK, lo que lo sitúa a la cabeza entre los materiales no conductores. Por ejemplo, la conductividad térmica del SiC se puede observar en sustratos para dispositivos semiconductores, materiales cerámicos de alta conductividad térmica, calentadores y placas calefactoras para el procesamiento de semiconductores, cápsulas para combustible nuclear y anillos de sellado de gas para bombas compresoras.
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 grande. Durante el procesamiento de obleas de silicio, especialmente durante el rectificado o pulido de alta velocidad, debido al desgaste y la deformación térmica del disco de rectificado, es difícil garantizar la planitud y el paralelismo de la oblea de silicio. El disco de rectificado hecho decerámica de carburo de silicioTiene poco 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 rectificar y pulir a alta velocidad.
Además, durante la producción de obleas de silicio, estas deben someterse a un tratamiento térmico a alta temperatura y, a menudo, se transportan utilizando soportes de carburo de silicio. Estos soportes son resistentes al calor y no se dañan. Se pueden aplicar recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) y otros materiales en la superficie para mejorar el rendimiento, minimizar 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 monocristales de carburo de silicio poseen propiedades tales como una gran anchura de banda prohibida (aproximadamente 3 veces la del Si), alta conductividad térmica (aproximadamente 3,3 veces la del Si o 10 veces la del GaAs), alta tasa de migración de saturación de electrones (aproximadamente 2,5 veces la del Si) y alto campo eléctrico de ruptura (aproximadamente 10 veces el del Si o 5 veces el del GaAs). Los dispositivos de SiC compensan las deficiencias de los dispositivos de materiales semiconductores tradicionales en aplicaciones prácticas y se están convirtiendo gradualmente en la opción principal para 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 cerámicas de carburo de silicio en el sector de los semiconductores ha aumentado drásticamente, y la alta conductividad térmica es un indicador clave para su aplicación en componentes de equipos de fabricación de semiconductores. Por lo tanto, es fundamental fortalecer la investigación sobre cerámicas de carburo de silicio con alta conductividad térmica. Reducir el contenido de oxígeno en la red cristalina, mejorar la densidad y regular adecuadamente la distribución de la segunda fase en la red son los principales métodos para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de carburo de silicio.
Actualmente, en mi país existen pocos estudios sobre cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica, y aún hay una gran brecha en comparación con el nivel mundial. Las futuras líneas de investigación incluyen:
●Fortalecer la investigación del proceso de preparación del polvo cerámico de carburo de silicio. La preparación de polvo 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;
● Reforzar la selección de aditivos de sinterización y la investigación teórica relacionada;
● Fortalecer la investigación y el desarrollo de equipos de sinterización de alta gama. Regular el proceso de sinterización para obtener una microestructura adecuada es una condición necesaria para obtener cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica.
Medidas para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de carburo de silicio.
La clave para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de SiC reside en reducir la frecuencia de dispersión de fonones y aumentar su recorrido libre medio. La conductividad térmica del SiC se mejora eficazmente reduciendo la porosidad y la densidad de límites de grano, aumentando la pureza de estos límites, disminuyendo las impurezas o defectos de la red cristalina y potenciando la transmisión del flujo de calor. Actualmente, la optimización del tipo y la concentración de aditivos de sinterización y el tratamiento térmico a alta temperatura constituyen las principales medidas para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de SiC.
① Optimización del tipo y contenido de aditivos de sinterización
En la preparación de cerámicas de SiC de alta conductividad térmica, se suelen añadir diversos aditivos de sinterización. El tipo y la concentración de estos aditivos influyen notablemente en la conductividad térmica de las cerámicas de SiC. Por ejemplo, los elementos Al u O presentes en los aditivos de sinterización del sistema Al₂O₃ se disuelven fácilmente en la red cristalina del SiC, generando vacantes y defectos que, a su vez, incrementan la frecuencia de dispersión de fonones. Asimismo, una baja concentración de aditivos dificulta la sinterización y densificación del material, mientras que una alta concentración conlleva un aumento de impurezas y defectos. Un exceso de aditivos 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 de alta conductividad térmica, es necesario reducir al máximo el contenido de aditivos de sinterización, cumpliendo al mismo tiempo los requisitos de densidad de sinterización, y tratar de elegir aditivos de sinterización que sean difíciles de disolver en la red cristalina del SiC.
*Propiedades térmicas de las cerámicas de SiC al añadir diferentes aditivos de sinterización.
Actualmente, las cerámicas de SiC prensadas en caliente y sinterizadas con BeO como agente de sinterización presentan 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 adecuado para su uso generalizado en laboratorios o en la industria. El punto eutéctico más bajo del sistema Y₂O₃-Al₂O₃ es de 1760 °C, y se utiliza comúnmente como agente de sinterización en fase líquida para cerámicas de SiC. No obstante, dado que el Al³⁺ se disuelve fácilmente en la red cristalina del SiC, cuando se utiliza este sistema como agente de sinterización, la conductividad térmica a temperatura ambiente de las cerámicas 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 tienen una alta afinidad por el oxígeno, lo que puede reducir eficazmente el contenido de oxígeno de la red de SiC. Por lo tanto, el sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) es un auxiliar de sinterización común para preparar cerámicas de SiC de alta conductividad térmica (>200 W·m-1·K-1). Tomando como ejemplo el auxiliar de sinterización del sistema Y2O3-Sc2O3, el valor de desviación iónica de Y3+ y Si4+ es grande, y los dos no experimentan solución sólida. La solubilidad de Sc en SiC puro a 1800~2600℃ es pequeña, alrededor de (2~3)×1017 átomos·cm-3.
② Tratamiento térmico a alta temperatura
El tratamiento térmico a alta temperatura de las cerámicas de SiC favorece la eliminación de defectos reticulares, dislocaciones y tensiones residuales, promoviendo la transformación estructural de algunos materiales amorfos a cristales y reduciendo el efecto de dispersión de fonones. Además, el tratamiento térmico a alta temperatura promueve eficazmente el crecimiento de los granos de SiC y, en última instancia, mejora las propiedades térmicas del material. Por ejemplo, tras un tratamiento térmico a 1950 °C, el coeficiente de difusión térmica de las cerámicas 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 agente de sinterización en la superficie y la red cristalina del SiC, y fortalece la unión entre los granos de SiC. Tras un tratamiento térmico a alta temperatura, la conductividad térmica a temperatura ambiente de las cerámicas de SiC ha mejorado significativamente.
Fecha de publicación: 24 de octubre de 2024