Tällä hetkellä,piikarbidi (SiC)on lämpöä johtava keraaminen materiaali, jota tutkitaan aktiivisesti sekä kotimaassa että ulkomailla. Piikarbidin teoreettinen lämmönjohtavuus on erittäin korkea, ja jotkut kidemuodot voivat saavuttaa 270 W/mK, mikä on jo johtava arvo ei-johtavien materiaalien joukossa. Esimerkiksi piikarbidin lämmönjohtavuutta voidaan käyttää puolijohdelaitteiden alustamateriaaleissa, korkean lämmönjohtavuuden omaavissa keraamisissa materiaaleissa, puolijohteiden prosessoinnin lämmittimissä ja lämmityslevyissä, ydinpolttoaineen kapselimateriaaleissa ja kompressoripumppujen kaasutiivisterenkaissa.
Soveltaminenpiikarbidipuolijohdealalla
Hiomalaikat ja -kiinnikkeet ovat tärkeitä piikiekkojen valmistuksen prosessilaitteita puolijohdeteollisuudessa. Jos hiomalaikka on valmistettu valuraudasta tai hiiliteräksestä, sen käyttöikä on lyhyt ja lämpölaajenemiskerroin suuri. Piikiekkojen prosessoinnin aikana, erityisesti suurnopeushionnassa tai -kiillotuksessa, piikiekon tasaisuutta ja yhdensuuntaisuutta on vaikea taata hiomalaikan kulumisen ja lämpömuodonmuutoksen vuoksi. Hiomalaikka on valmistettu...piikarbidikeraamitsen kovuuden ansiosta se kuluu vähän, ja sen lämpölaajenemiskerroin on periaatteessa sama kuin piikiekoilla, joten sitä voidaan hioa ja kiillottaa suurella nopeudella.
Lisäksi piikiekkojen valmistuksessa ne on lämpökäsiteltävä korkeassa lämpötilassa, ja niitä kuljetetaan usein piikarbidikiinnikkeillä. Ne ovat lämmönkestäviä ja rikkomattomia. Pinnoitteisiin voidaan levittää timantin kaltaista hiiltä (DLC) ja muita pinnoitteita suorituskyvyn parantamiseksi, kiekkojen vaurioiden lieventämiseksi ja kontaminaation leviämisen estämiseksi.
Lisäksi kolmannen sukupolven laajan kaistanleveyden puolijohdemateriaaleina piikarbidista valmistetuilla yksittäiskristalleilla on ominaisuuksia, kuten suuri kaistanleveys (noin 3 kertaa piihin verrattuna), korkea lämmönjohtavuus (noin 3,3 kertaa piihin verrattuna tai 10 kertaa GaAs:ään verrattuna), korkea elektronisaturaatiovaellusnopeus (noin 2,5 kertaa piihin verrattuna) ja suuri läpilyöntisähkökenttä (noin 10 kertaa piihin verrattuna tai 5 kertaa GaAs:ään verrattuna). Piikarbidikomponentit korvaavat perinteisten puolijohdemateriaalikomponenttien puutteita käytännön sovelluksissa ja niistä on vähitellen tulossa valtavirtaa tehopuolijohteissa.
Korkean lämmönjohtavuuden omaavien piikarbidikeraamien kysyntä on kasvanut dramaattisesti
Tieteen ja teknologian jatkuvan kehityksen myötä piikarbidikeraamien sovellusten kysyntä puolijohdeteollisuudessa on kasvanut dramaattisesti, ja korkea lämmönjohtavuus on keskeinen indikaattori niiden käytölle puolijohdevalmistuslaitteiden komponenteissa. Siksi on ratkaisevan tärkeää vahvistaa korkean lämmönjohtavuuden omaavien piikarbidikeraamien tutkimusta. Hilan happipitoisuuden vähentäminen, tiheyden parantaminen ja toisen faasin jakautumisen kohtuullinen säätely hilassa ovat tärkeimmät menetelmät piikarbidikeraamien lämmönjohtavuuden parantamiseksi.
Tällä hetkellä maassani on tehty vain vähän tutkimuksia korkean lämmönjohtavuuden omaavista piikarbidikeraamisista, ja ero maailmantasoon on edelleen suuri. Tulevia tutkimussuuntia ovat:
● Vahvistaa piikarbidikeraamisen jauheen valmistusprosessitutkimusta. Erittäin puhtaan ja vähähappisen piikarbidijauheen valmistus on perusta korkean lämmönjohtavuuden omaavien piikarbidikeraamojen valmistukselle.
● Vahvistaa sintrausapuaineiden valikoimaa ja niihin liittyvää teoreettista tutkimusta;
● Vahvista huippuluokan sintrauslaitteiden tutkimusta ja kehitystä. Sintrausprosessin säätely kohtuullisen mikrorakenteen saavuttamiseksi on välttämätön edellytys korkean lämmönjohtavuuden omaavien piikarbidikeraamien saamiseksi.
Toimenpiteet piikarbidikeraamien lämmönjohtavuuden parantamiseksi
Piikarbidikeraamien lämmönjohtavuuden parantamisen avain on fononien sirontataajuuden vähentäminen ja fononien keskimääräisen vapaan matkan lisääminen. Piikarbidin lämmönjohtavuutta voidaan tehokkaasti parantaa vähentämällä piikarbidikeraamien huokoisuutta ja raerajan tiheyttä, parantamalla piikarbidirakeiden puhtautta, vähentämällä piikarbidihilan epäpuhtauksia tai hilavirheitä ja lisäämällä lämmönsiirtokykyä piikarbidissa. Tällä hetkellä piikarbidikeraamien lämmönjohtavuuden parantamiseksi tärkeimmät toimenpiteet ovat sintrausapuaineiden tyypin ja sisällön optimointi sekä korkean lämpötilan lämpökäsittely.
① Sintrausaineiden tyypin ja sisällön optimointi
Erilaisia sintrausaineita lisätään usein korkean lämmönjohtavuuden omaavien piikarbidikeraamien valmistuksessa. Sintrausaineiden tyypillä ja pitoisuudella on suuri vaikutus piikarbidikeraamien lämmönjohtavuuteen. Esimerkiksi Al2O3-järjestelmän sintrausaineiden Al- tai O-alkuaineet liukenevat helposti piikarbidihilaan, mikä johtaa tyhjiin paikkoihin ja virheisiin ja fononien sirontataajuuden kasvuun. Lisäksi, jos sintrausaineiden pitoisuus on alhainen, materiaalia on vaikea sintrata ja tiivistää, kun taas korkea sintrausaineiden pitoisuus johtaa epäpuhtauksien ja virheiden lisääntymiseen. Liiallinen nestemäisen faasin sintrausaineiden määrä voi myös estää piikarbidirakeiden kasvua ja vähentää fononien keskimääräistä vapaata matkaa. Siksi korkean lämmönjohtavuuden omaavien piikarbidikeraamien valmistamiseksi on tarpeen vähentää sintrausaineiden pitoisuutta mahdollisimman paljon samalla, kun täytetään sintraustiheysvaatimukset, ja pyrkiä valitsemaan sintrausaineita, jotka liukenevat vaikeasti piikarbidihilaan.
*SiC-keraamien lämpöominaisuudet, kun lisätään erilaisia sintrausaineita
Tällä hetkellä kuumapuristetuilla SiC-keraamilla, jotka on sintrattu BeO:lla sintrausaineena, on maksimaalinen lämmönjohtavuus huoneenlämmössä (270 W·m-1·K-1). BeO on kuitenkin erittäin myrkyllinen ja karsinogeeninen materiaali, eikä se sovellu laajaan käyttöön laboratorioissa tai teollisuudessa. Y2O3-Al2O3-järjestelmän alin eutektinen piste on 1760 ℃, mikä on yleinen nestefaasisintrausaine SiC-keraamille. Koska Al3+ liukenee kuitenkin helposti SiC-hilaan, kun tätä järjestelmää käytetään sintrausaineena, SiC-keraamien lämmönjohtavuus huoneenlämmössä on alle 200 W·m-1·K-1.
Harvinaiset maametallit, kuten Y, Sm, Sc, Gd ja La, eivät liukene helposti piikarbidihilaan ja niillä on korkea happiaffiniteetti, mikä voi tehokkaasti vähentää piikarbidihilan happipitoisuutta. Siksi Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) -järjestelmä on yleinen sintrausaine korkean lämmönjohtavuuden (>200 W·m-1·K-1) omaavien piikarbidikeramiikan valmistuksessa. Esimerkiksi Y2O3-Sc2O3-järjestelmän sintrausaineena Y3+:n ja Si4+:n ionipoikkeama on suuri, eivätkä ne liukene kiinteästi. Sc:n liukoisuus puhtaaseen piikarbidiin 1800–2600 ℃:n lämpötilassa on pieni, noin (2–3) × 1017 atomia·cm-3.
② Korkean lämpötilan lämpökäsittely
Piikarbidikeraamien korkean lämpötilan lämpökäsittely poistaa hilavirheitä, dislokaatioita ja jäännösjännityksiä, edistää joidenkin amorfisten materiaalien rakenteellista muutosta kiteiksi ja heikentää fononien sirontavaikutusta. Lisäksi korkean lämpötilan lämpökäsittely voi tehokkaasti edistää piikarbidirakeiden kasvua ja parantaa lopulta materiaalin lämpöominaisuuksia. Esimerkiksi 1950 °C:ssa tehdyn korkean lämpötilan lämpökäsittelyn jälkeen piikarbidikeraamien lämpödiffuusiokerroin nousi arvosta 83,03 mm2·s⁻¹ arvoon 89,50 mm2·s⁻¹, ja huoneenlämmönjohtavuus nousi arvosta 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ arvoon 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Korkean lämpötilan lämpökäsittely parantaa tehokkaasti sintrausaineen hapettumisenestokykyä piikarbidin pinnalla ja hilassa ja tiivistää piikarbidirakeiden välistä yhteyttä. Korkean lämpötilan lämpökäsittelyn jälkeen piikarbidikeraamien lämmönjohtavuus huoneenlämmössä on parantunut merkittävästi.
Julkaisuaika: 24.10.2024