Actuellement,carbure de silicium (SiC)Le SiC est un matériau céramique thermoconducteur activement étudié en Chine et à l'étranger. Sa conductivité thermique théorique est très élevée, certaines formes cristallines pouvant atteindre 270 W/mK, ce qui en fait déjà un matériau leader parmi les matériaux non conducteurs. Par exemple, la conductivité thermique du SiC est utilisée dans les substrats de dispositifs semi-conducteurs, les matériaux céramiques à haute conductivité thermique, les éléments chauffants et les plaques chauffantes pour le traitement des semi-conducteurs, les matériaux pour capsules de combustible nucléaire et les joints d'étanchéité pour compresseurs.
Application decarbure de siliciumdans le domaine des semi-conducteurs
Les disques et dispositifs de meulage constituent des équipements de traitement importants pour la production de plaquettes de silicium dans l'industrie des semi-conducteurs. Si le disque est en fonte ou en acier au carbone, sa durée de vie est courte et son coefficient de dilatation thermique élevé. Lors de l'usinage des plaquettes de silicium, notamment lors du meulage ou du polissage à grande vitesse, l'usure et la déformation thermique du disque rendent difficile la garantie de la planéité et du parallélisme de la plaquette. Le disque de meulage encéramique en carbure de siliciumprésente une faible usure en raison de sa dureté élevée et son coefficient de dilatation thermique est fondamentalement le même que celui des plaquettes de silicium, il peut donc être meulé et poli à grande vitesse.
De plus, lors de la production de plaquettes de silicium, celles-ci doivent subir un traitement thermique à haute température et sont souvent transportées à l'aide de dispositifs en carbure de silicium. Ces plaquettes sont résistantes à la chaleur et non destructives. Du carbone amorphe (DLC) et d'autres revêtements peuvent être appliqués en surface pour améliorer les performances, atténuer les dommages aux plaquettes et empêcher la propagation de la contamination.
De plus, en tant que représentants des matériaux semi-conducteurs à large bande interdite de troisième génération, les matériaux monocristallins en carbure de silicium présentent des propriétés telles qu'une large bande interdite (environ 3 fois celle du Si), une conductivité thermique élevée (environ 3,3 fois celle du Si ou 10 fois celle du GaAs), un taux de migration de saturation électronique élevé (environ 2,5 fois celui du Si) et un champ électrique de claquage élevé (environ 10 fois celui du Si ou 5 fois celui du GaAs). Les dispositifs SiC compensent les défauts des matériaux semi-conducteurs traditionnels dans les applications pratiques et deviennent progressivement la norme des semi-conducteurs de puissance.
La demande de céramiques en carbure de silicium à haute conductivité thermique a considérablement augmenté
Avec le développement continu des sciences et des technologies, la demande d'applications de céramiques en carbure de silicium dans le domaine des semi-conducteurs a considérablement augmenté. Une conductivité thermique élevée est un indicateur clé de son application dans les composants d'équipements de fabrication de semi-conducteurs. Il est donc crucial de renforcer la recherche sur les céramiques en carbure de silicium à haute conductivité thermique. La réduction de la teneur en oxygène du réseau, l'amélioration de la densité et la régulation rationnelle de la distribution de la seconde phase dans le réseau sont les principales méthodes permettant d'améliorer la conductivité thermique des céramiques en carbure de silicium.
À l'heure actuelle, peu d'études sont menées sur les céramiques en carbure de silicium à haute conductivité thermique dans mon pays, et l'écart avec les études mondiales reste important. Les axes de recherche futurs sont les suivants :
● Renforcer la recherche sur le procédé de préparation de la poudre céramique de carbure de silicium. La préparation de poudre de carbure de silicium de haute pureté et à faible teneur en oxygène est essentielle à la préparation de céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique.
● Renforcer la sélection des auxiliaires de frittage et la recherche théorique associée ;
● Renforcer la recherche et le développement d'équipements de frittage haut de gamme. En régulant le processus de frittage pour obtenir une microstructure raisonnable, il est indispensable d'obtenir des céramiques en carbure de silicium à haute conductivité thermique.
Mesures visant à améliorer la conductivité thermique des céramiques en carbure de silicium
La clé pour améliorer la conductivité thermique des céramiques SiC réside dans la réduction de la fréquence de diffusion des phonons et l'augmentation du libre parcours moyen des phonons. La conductivité thermique du SiC sera efficacement améliorée en réduisant la porosité et la densité des joints de grains, en améliorant la pureté des joints de grains, en réduisant les impuretés ou les défauts du réseau SiC et en augmentant le facteur de transmission du flux thermique dans le SiC. Actuellement, l'optimisation du type et de la teneur des adjuvants de frittage et le traitement thermique à haute température constituent les principales mesures visant à améliorer la conductivité thermique des céramiques SiC.
① Optimisation du type et du contenu des auxiliaires de frittage
Divers adjuvants de frittage sont souvent ajoutés lors de la préparation de céramiques SiC à haute conductivité thermique. Leur type et leur teneur influencent fortement la conductivité thermique des céramiques SiC. Par exemple, les éléments Al ou O présents dans les adjuvants de frittage du système Al₂O₃ se dissolvent facilement dans le réseau SiC, ce qui entraîne des lacunes et des défauts, ce qui entraîne une augmentation de la fréquence de diffusion des phonons. De plus, une faible teneur en adjuvants de frittage rend le matériau difficile à fritter et à densifier, tandis qu'une teneur élevée entraîne une augmentation des impuretés et des défauts. Un excès d'adjuvants de frittage en phase liquide peut également inhiber la croissance des grains de SiC et réduire le libre parcours moyen des phonons. Par conséquent, afin de préparer des céramiques SiC à haute conductivité thermique, il est nécessaire de réduire autant que possible la teneur en adjuvants de frittage tout en répondant aux exigences de densité de frittage, et d'essayer de choisir des adjuvants de frittage difficiles à dissoudre dans le réseau SiC.
*Propriétés thermiques des céramiques SiC lorsque différents auxiliaires de frittage sont ajoutés
Actuellement, les céramiques SiC pressées à chaud frittées avec du BeO comme agent de frittage présentent une conductivité thermique maximale à température ambiante (270 W·m-1·K-1). Cependant, le BeO est un matériau hautement toxique et cancérigène, et ne convient pas à une application généralisée en laboratoire ou dans l'industrie. Le point eutectique le plus bas du système Y2O3-Al2O3 est de 1760 °C, ce qui constitue un agent de frittage en phase liquide courant pour les céramiques SiC. Cependant, comme Al3+ se dissout facilement dans le réseau SiC, lorsque ce système est utilisé comme agent de frittage, la conductivité thermique à température ambiante des céramiques SiC est inférieure à 200 W·m-1·K-1.
Les terres rares telles que Y, Sm, Sc, Gd et La sont difficilement solubles dans le réseau SiC et présentent une forte affinité pour l'oxygène, ce qui permet de réduire efficacement la teneur en oxygène du réseau SiC. Par conséquent, le système Y2O3-RE2O3 (RE = Sm, Sc, Gd, La) est un auxiliaire de frittage courant pour la préparation de céramiques SiC à conductivité thermique élevée (> 200 W·m-1·K-1). À titre d'exemple, l'auxiliaire de frittage du système Y2O3-Sc2O3 présente une déviation ionique importante pour Y3+ et Si4+, et ces deux éléments ne se dissolvent pas dans un solide. La solubilité du Sc dans le SiC pur à 1800~2600 °C est faible, de l'ordre de (2~3)×1017 atomes·cm-3.
2. Traitement thermique à haute température
Le traitement thermique à haute température des céramiques SiC permet d'éliminer les défauts de réseau, les dislocations et les contraintes résiduelles, favorisant la transformation structurale de certains matériaux amorphes en cristaux et atténuant l'effet de diffusion des phonons. De plus, il favorise efficacement la croissance des grains de SiC et, in fine, améliore les propriétés thermiques du matériau. Par exemple, après un traitement thermique à haute température à 1950 °C, le coefficient de diffusion thermique des céramiques SiC est passé de 83,03 mm²·s-1 à 89,50 mm²·s-1, et la conductivité thermique à température ambiante est passée de 180,94 W·m-1·K-1 à 192,17 W·m-1·K-1. Le traitement thermique à haute température améliore efficacement la capacité de désoxydation de l'agent de frittage à la surface et au réseau du SiC, et renforce la liaison entre les grains de SiC. Après un traitement thermique à haute température, la conductivité thermique à température ambiante des céramiques SiC a été considérablement améliorée.
Date de publication : 24 octobre 2024