Jelenleg,szilícium-karbid (SiC)egy hővezető kerámia anyag, amelyet aktívan tanulmányoznak itthon és külföldön is. A SiC elméleti hővezető képessége nagyon magas, egyes kristályformák elérhetik a 270 W/mK-t, ami már most is vezető szerepet tölt be a nem vezető anyagok között. Például a SiC hővezető képességének alkalmazása megfigyelhető félvezető eszközök szubsztrátanyagaiban, nagy hővezető képességű kerámia anyagokban, félvezető-feldolgozáshoz használt fűtőelemekben és fűtőlapokban, nukleáris üzemanyag kapszulaanyagaiban és kompresszorszivattyúk gáztömítőgyűrűiben.
Alkalmazásaszilícium-karbida félvezetők területén
A félvezetőiparban a szilíciumlapkák gyártásának fontos folyamatberendezései a csiszolókorongok és a befogók. Ha a csiszolókorong öntöttvasból vagy szénacélból készül, az élettartama rövid, hőtágulási együtthatója pedig nagy. A szilíciumlapkák feldolgozása során, különösen a nagysebességű csiszolás vagy polírozás során, a csiszolókorong kopása és hődeformációja miatt a szilíciumlapka síkfelülete és párhuzamossága nehezen garantálható. A csiszolókorong, amely...szilícium-karbid kerámianagy keménységének köszönhetően alacsony kopásállósággal rendelkezik, hőtágulási együtthatója pedig alapvetően megegyezik a szilíciumlapkákéval, így nagy sebességgel köszörülhető és polírozható.
Ezenkívül a szilícium-ostyák gyártásakor magas hőmérsékletű hőkezelésen kell átesniük, és gyakran szilícium-karbid rögzítők segítségével szállítják őket. Hőállóak és roncsolásmentesek. A felületre gyémántszerű szén (DLC) és egyéb bevonatok vihetők fel a teljesítmény fokozása, az ostya károsodásának enyhítése és a szennyeződés terjedésének megakadályozása érdekében.
Továbbá, a harmadik generációs széles tiltott sávú félvezető anyagok képviselőjeként a szilícium-karbid egykristályos anyagok olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a nagy tiltott sáv szélessége (körülbelül 3-szorosa a Si-nak), a magas hővezető képesség (körülbelül 3,3-szorosa a Si-nak vagy 10-szerese a GaAs-nak), a magas elektrontelítési migrációs sebesség (körülbelül 2,5-szerese a Si-nak) és a nagy lebomlási elektromos tér (körülbelül 10-szerese a Si-nak vagy 5-szöröse a GaAs-nak). A SiC eszközök a gyakorlati alkalmazásokban kompenzálják a hagyományos félvezető anyagú eszközök hibáit, és fokozatosan a teljesítmény-félvezetők főáramába kerülnek.
A nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiák iránti kereslet drámaian megnőtt.
A tudomány és a technológia folyamatos fejlődésével a szilícium-karbid kerámiák iránti igény a félvezetők területén drámaian megnőtt, és a magas hővezető képesség kulcsfontosságú mutatója a félvezetőgyártó berendezések alkatrészeiben való alkalmazásuknak. Ezért kulcsfontosságú a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiákkal kapcsolatos kutatások megerősítése. A szilícium-karbid kerámiák hővezető képességének javítására szolgáló fő módszerek a rács oxigéntartalmának csökkentése, a sűrűség javítása és a második fázis rácsbeli eloszlásának ésszerű szabályozása.
Jelenleg kevés tanulmány foglalkozik a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiákkal hazánkban, és még mindig nagy a lemaradás a világszinthez képest. A jövőbeli kutatási irányok a következők:
● A szilícium-karbid kerámiapor előállítási folyamatának kutatásának megerősítése. A nagy tisztaságú, alacsony oxigéntartalmú szilícium-karbid por előállítása az alapja a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiák előállításának;
● A szinterelési segédanyagok kiválasztásának és a kapcsolódó elméleti kutatásoknak a megerősítése;
● A csúcskategóriás szinterelőberendezések kutatásának és fejlesztésének megerősítése. A szinterezési folyamat szabályozásával ésszerű mikroszerkezetet lehet elérni, ami szükséges feltétele a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiák előállításának.
Intézkedések a szilícium-karbid kerámiák hővezető képességének javítására
A SiC kerámiák hővezető képességének javításának kulcsa a fononszórási frekvencia csökkentése és a fononok átlagos szabad úthosszának növelése. A SiC hővezető képessége hatékonyan javítható a SiC kerámiák porozitásának és szemcsehatár-sűrűségének csökkentésével, a SiC szemcsehatárok tisztaságának javításával, a SiC rácsszennyeződések vagy rácshibák csökkentésével, valamint a hőáramlási átviteli vivő növelésével. Jelenleg a szinterelési segédanyagok típusának és tartalmának optimalizálása, valamint a magas hőmérsékletű hőkezelés a SiC kerámiák hővezető képességének javítására irányuló fő intézkedések.
① A szinterelési segédanyagok típusának és tartalmának optimalizálása
Nagy hővezető képességű SiC kerámiák előállításakor gyakran adnak hozzá különféle szinterelési segédanyagokat. Ezek közül a szinterelési segédanyagok típusa és tartalma nagyban befolyásolja a SiC kerámiák hővezető képességét. Például az Al2O3 rendszer szinterelési segédanyagaiban lévő Al vagy O elemek könnyen feloldódnak a SiC rácsban, ami üresedéseket és hibákat eredményez, ami a fononszórási frekvencia növekedéséhez vezet. Ezenkívül, ha a szinterelési segédanyagok tartalma alacsony, az anyagot nehéz szinterelni és tömöríteni, míg a szinterelési segédanyagok magas tartalma a szennyeződések és hibák növekedéséhez vezet. A túlzott folyékony fázisú szinterelési segédanyagok gátolhatják a SiC szemcsék növekedését és csökkenthetik a fononok átlagos szabad úthosszát. Ezért a nagy hővezető képességű SiC kerámiák előállítása érdekében a lehető legnagyobb mértékben csökkenteni kell a szinterelési segédanyagok tartalmát, miközben teljesíteni kell a szinterelési sűrűségre vonatkozó követelményeket, és meg kell próbálni olyan szinterelési segédanyagokat választani, amelyek nehezen oldódnak a SiC rácsban.
*SiC kerámiák termikus tulajdonságai különböző szinterelési segédanyagok hozzáadása esetén
Jelenleg a BeO-val szinterezősegédanyagként szinterezett melegen préselt SiC kerámiák rendelkeznek a maximális szobahőmérsékleti hővezető képességgel (270 W·m-1·K-1). A BeO azonban erősen mérgező és rákkeltő anyag, és nem alkalmas széles körű laboratóriumi vagy ipari alkalmazásra. Az Y2O3-Al2O3 rendszer legalacsonyabb eutektikus pontja 1760℃, ami egy gyakori folyékony fázisú szinterezősegédanyag a SiC kerámiáknál. Mivel azonban az Al3+ könnyen oldódik a SiC rácsba, amikor ezt a rendszert szinterezősegédanyagként használják, a SiC kerámiák szobahőmérsékleti hővezető képessége kisebb, mint 200 W·m-1·K-1.
A ritkaföldfémek, mint például az Y, Sm, Sc, Gd és La, nehezen oldódnak a SiC rácsban, és nagy oxigénaffinitással rendelkeznek, ami hatékonyan csökkentheti a SiC rács oxigéntartalmát. Ezért az Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) rendszer egy gyakori szinterelési segédanyag a nagy hővezető képességű (>200W·m-1·K-1) SiC kerámiák előállításához. Az Y2O3-Sc2O3 rendszer szinterelési segédanyagát példaként véve, az Y3+ és Si4+ ionok ionszórása nagy, és a kettő nem oldódik szilárd fázisban. Az Sc oldhatósága tiszta SiC-ban 1800~2600℃-on kicsi, körülbelül (2~3)×1017 atom·cm-3.
② Magas hőmérsékletű hőkezelés
A SiC kerámiák magas hőmérsékletű hőkezelése elősegíti a rácshibák, diszlokációk és maradékfeszültségek kiküszöbölését, elősegíti egyes amorf anyagok szerkezeti átalakulását kristályokká, és gyengíti a fononszórási hatást. Ezenkívül a magas hőmérsékletű hőkezelés hatékonyan elősegítheti a SiC szemcsék növekedését, és végső soron javíthatja az anyag hőtulajdonságait. Például az 1950°C-on végzett magas hőmérsékletű hőkezelés után a SiC kerámiák hődiffúziós együtthatója 83,03 mm2·s-1-ről 89,50 mm2·s-1-re nőtt, a szobahőmérsékleti hővezető képessége pedig 180,94 W·m-1·K-1-ről 192,17 W·m-1·K-1-re nőtt. A magas hőmérsékletű hőkezelés hatékonyan javítja a szinterelési segédanyag deoxidációs képességét a SiC felületén és a rácson, és szorosabbá teszi a SiC szemcsék közötti kapcsolatot. A magas hőmérsékletű hőkezelés után a SiC kerámiák szobahőmérsékleti hővezető képessége jelentősen javult.
Közzététel ideje: 2024. október 24.