Actualmente,carburo de silicio (SiC)é un material cerámico termocondutor que se está a estudar activamente tanto no país como no estranxeiro. A condutividade térmica teórica do SiC é moi alta e algunhas formas cristalinas poden alcanzar os 270 W/mK, o que xa o converte nun líder entre os materiais non condutores. Por exemplo, a aplicación da condutividade térmica do SiC pódese observar nos materiais de substrato de dispositivos semicondutores, materiais cerámicos de alta condutividade térmica, quentadores e placas de calefacción para o procesamento de semicondutores, materiais de cápsula para combustible nuclear e aneis de selado de gas para bombas de compresor.
Aplicación decarburo de siliciono campo dos semicondutores
Os discos e accesorios de amolado son equipos de proceso importantes para a produción de obleas de silicio na industria dos semicondutores. Se o disco de amolado está feito de ferro fundido ou aceiro ao carbono, a súa vida útil é curta e o seu coeficiente de expansión térmica é grande. Durante o procesamento de obleas de silicio, especialmente durante a amolada ou o pulido a alta velocidade, debido ao desgaste e á deformación térmica do disco de amolado, a planitude e o paralelismo da oblea de silicio son difíciles de garantir. O disco de amolado feito decerámica de carburo de silicioten un baixo desgaste debido á súa alta dureza e o seu coeficiente de expansión térmica é basicamente o mesmo que o das obleas de silicio, polo que se pode moer e pulir a alta velocidade.
Ademais, cando se producen obleas de silicio, estas deben someterse a un tratamento térmico a alta temperatura e adoitan transportarse mediante accesorios de carburo de silicio. Son resistentes á calor e non destrutivas. O carbono tipo diamante (DLC) e outros revestimentos pódense aplicar na superficie para mellorar o rendemento, aliviar os danos nas obleas e evitar que a contaminación se propague.
Ademais, como representantes dos materiais semicondutores de banda ancha de terceira xeración, os materiais monocristais de carburo de silicio teñen propiedades como unha gran anchura de banda prohibida (aproximadamente 3 veces a do Si), alta condutividade térmica (aproximadamente 3,3 veces a do Si ou 10 veces a do GaAs), alta taxa de migración de saturación de electróns (aproximadamente 2,5 veces a do Si) e alto campo eléctrico de ruptura (aproximadamente 10 veces a do Si ou 5 veces a do GaAs). Os dispositivos de SiC compensan os defectos dos dispositivos tradicionais de materiais semicondutores nas aplicacións prácticas e están a converterse gradualmente na corrente principal dos semicondutores de potencia.
A demanda de cerámica de carburo de silicio de alta condutividade térmica aumentou drasticamente
Co desenvolvemento continuo da ciencia e a tecnoloxía, a demanda da aplicación de cerámica de carburo de silicio no campo dos semicondutores aumentou drasticamente, e a alta condutividade térmica é un indicador clave para a súa aplicación en compoñentes de equipos de fabricación de semicondutores. Polo tanto, é crucial fortalecer a investigación sobre cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica. Reducir o contido de osíxeno da rede, mellorar a densidade e regular razoablemente a distribución da segunda fase na rede son os principais métodos para mellorar a condutividade térmica das cerámicas de carburo de silicio.
Na actualidade, hai poucos estudos sobre cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica no meu país, e aínda hai unha gran diferenza en comparación co nivel mundial. As futuras liñas de investigación inclúen:
● Fortalecer a investigación do proceso de preparación de po cerámico de carburo de silicio. A preparación de po de carburo de silicio de alta pureza e baixo contido de osíxeno é a base para a preparación de cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica;
● Reforzar a selección de axudas para a sinterización e a investigación teórica relacionada;
● Fortalecer a investigación e o desenvolvemento de equipos de sinterización de alta gama. Ao regular o proceso de sinterización para obter unha microestrutura razoable, é unha condición necesaria para obter cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica.
Medidas para mellorar a condutividade térmica das cerámicas de carburo de silicio
A clave para mellorar a condutividade térmica das cerámicas de SiC é reducir a frecuencia de dispersión de fonóns e aumentar o percorrido libre medio dos fonóns. A condutividade térmica do SiC mellorará eficazmente reducindo a porosidade e a densidade do límite de gran das cerámicas de SiC, mellorando a pureza dos límites de gran de SiC, reducindo as impurezas ou defectos de rede de SiC e aumentando o portador de transmisión do fluxo de calor no SiC. Na actualidade, a optimización do tipo e contido de axustes de sinterización e o tratamento térmico a alta temperatura son as principais medidas para mellorar a condutividade térmica das cerámicas de SiC.
① Optimización do tipo e contido dos axentes auxiliares de sinterización
Ao preparar cerámicas de SiC de alta condutividade térmica, adoitan engadirse varios axustes de sinterización. Entre eles, o tipo e o contido dos axustes de sinterización inflúen moito na condutividade térmica das cerámicas de SiC. Por exemplo, os elementos de Al ou O nos axustes de sinterización do sistema Al2O3 disólvense facilmente na rede de SiC, o que resulta en vacantes e defectos, o que leva a un aumento na frecuencia de dispersión de fonóns. Ademais, se o contido de axustes de sinterización é baixo, o material é difícil de sinterizar e densificar, mentres que un contido elevado de axustes de sinterización levará a un aumento das impurezas e defectos. O exceso de axustes de sinterización en fase líquida tamén pode inhibir o crecemento dos grans de SiC e reducir o percorrido libre medio dos fonóns. Polo tanto, para preparar cerámicas de SiC de alta condutividade térmica, é necesario reducir o contido de axustes de sinterización tanto como sexa posible, cumprindo os requisitos de densidade de sinterización, e tentar escoller axustes de sinterización que sexan difíciles de disolver na rede de SiC.
*Propiedades térmicas das cerámicas de SiC cando se engaden diferentes axentes aditivos de sinterización
Actualmente, as cerámicas de SiC prensadas en quente e sinterizadas con BeO como axudante de sinterización teñen a máxima condutividade térmica a temperatura ambiente (270 W·m-1·K-1). Non obstante, o BeO é un material altamente tóxico e canceríxeno, e non é axeitado para a súa aplicación xeneralizada en laboratorios ou campos industriais. O punto eutéctico máis baixo do sistema Y2O3-Al2O3 é de 1760 ℃, que é un axudante de sinterización en fase líquida común para as cerámicas de SiC. Non obstante, dado que o Al3+ se disolve facilmente na rede de SiC, cando este sistema se usa como axudante de sinterización, a condutividade térmica a temperatura ambiente das cerámicas de SiC é inferior a 200 W·m-1·K-1.
Os elementos de terras raras como Y, Sm, Sc, Gd e La non son facilmente solubles na rede de SiC e teñen unha alta afinidade polo osíxeno, o que pode reducir eficazmente o contido de osíxeno da rede de SiC. Polo tanto, o sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) é un auxiliar de sinterización común para preparar cerámicas de SiC de alta condutividade térmica (>200 W·m-1·K-1). Tomando como exemplo o auxiliar de sinterización do sistema Y2O3-Sc2O3, o valor de desviación iónica de Y3+ e Si4+ é grande e ambos non sofren unha solución sólida. A solubilidade de Sc en SiC puro a 1800~2600 ℃ é pequena, duns (2~3)×1017 átomos·cm-3.
② Tratamento térmico a alta temperatura
O tratamento térmico a alta temperatura das cerámicas de SiC axuda a eliminar defectos de rede, dislocacións e tensións residuais, promovendo a transformación estrutural dalgúns materiais amorfos en cristais e debilitando o efecto de dispersión de fonóns. Ademais, o tratamento térmico a alta temperatura pode promover eficazmente o crecemento de grans de SiC e, en última instancia, mellorar as propiedades térmicas do material. Por exemplo, despois dun tratamento térmico a alta temperatura a 1950 °C, o coeficiente de difusión térmica das cerámicas de SiC aumentou de 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1, e a condutividade térmica a temperatura ambiente aumentou de 180,94 W·m-1·K-1 a 192,17 W·m-1·K-1. O tratamento térmico a alta temperatura mellora eficazmente a capacidade de desoxidación do axente auxiliar de sinterización na superficie e na rede de SiC e fai que a conexión entre os grans de SiC sexa máis apertada. Despois do tratamento térmico a alta temperatura, a condutividade térmica a temperatura ambiente das cerámicas de SiC mellorou significativamente.
Data de publicación: 24 de outubro de 2024