Saat ini,silikon karbida (SiC)SiC adalah material keramik penghantar panas yang aktif dipelajari di dalam dan luar negeri. Konduktivitas termal teoritis SiC sangat tinggi, dan beberapa bentuk kristal dapat mencapai 270 W/mK, yang sudah menjadi yang terdepan di antara material non-konduktif. Misalnya, aplikasi konduktivitas termal SiC dapat dilihat pada material substrat perangkat semikonduktor, material keramik dengan konduktivitas termal tinggi, pemanas dan pelat pemanas untuk pemrosesan semikonduktor, material kapsul untuk bahan bakar nuklir, dan cincin penyegel gas untuk pompa kompresor.
Penerapansilikon karbidadi bidang semikonduktor
Cakram gerinda dan perlengkapannya merupakan peralatan proses penting untuk produksi wafer silikon di industri semikonduktor. Jika cakram gerinda terbuat dari besi cor atau baja karbon, masa pakainya pendek dan koefisien ekspansi termalnya besar. Selama pemrosesan wafer silikon, terutama selama penggerindaan atau pemolesan kecepatan tinggi, karena keausan dan deformasi termal cakram gerinda, kerataan dan paralelisme wafer silikon sulit dijamin. Cakram gerinda yang terbuat darikeramik silikon karbidamemiliki tingkat keausan rendah karena kekerasannya yang tinggi, dan koefisien ekspansi termalnya pada dasarnya sama dengan wafer silikon, sehingga dapat digiling dan dipoles dengan kecepatan tinggi.
Selain itu, saat wafer silikon diproduksi, wafer tersebut perlu menjalani perlakuan panas suhu tinggi dan sering diangkut menggunakan perlengkapan silikon karbida. Perlengkapan ini tahan panas dan tidak merusak. Lapisan karbon mirip berlian (DLC) dan lapisan lainnya dapat diaplikasikan pada permukaan untuk meningkatkan kinerja, mengurangi kerusakan wafer, dan mencegah penyebaran kontaminasi.
Selain itu, sebagai perwakilan dari material semikonduktor celah pita lebar generasi ketiga, material kristal tunggal silikon karbida memiliki sifat-sifat seperti lebar celah pita yang besar (sekitar 3 kali lipat dari Si), konduktivitas termal yang tinggi (sekitar 3,3 kali lipat dari Si atau 10 kali lipat dari GaAs), laju migrasi saturasi elektron yang tinggi (sekitar 2,5 kali lipat dari Si) dan medan listrik tembus yang tinggi (sekitar 10 kali lipat dari Si atau 5 kali lipat dari GaAs). Perangkat SiC menutupi kekurangan perangkat material semikonduktor tradisional dalam aplikasi praktis dan secara bertahap menjadi arus utama semikonduktor daya.
Permintaan akan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi telah meningkat secara dramatis.
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang berkelanjutan, permintaan akan aplikasi keramik silikon karbida di bidang semikonduktor telah meningkat secara dramatis, dan konduktivitas termal yang tinggi merupakan indikator kunci untuk aplikasinya dalam komponen peralatan manufaktur semikonduktor. Oleh karena itu, sangat penting untuk memperkuat penelitian tentang keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi. Mengurangi kandungan oksigen dalam kisi, meningkatkan densitas, dan mengatur distribusi fase kedua dalam kisi secara wajar adalah metode utama untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik silikon karbida.
Saat ini, penelitian tentang keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi masih sedikit di negara kita, dan masih terdapat kesenjangan yang besar dibandingkan dengan tingkat dunia. Arah penelitian di masa mendatang meliputi:
●Memperkuat penelitian proses pembuatan bubuk keramik silikon karbida. Pembuatan bubuk silikon karbida dengan kemurnian tinggi dan kadar oksigen rendah merupakan dasar untuk pembuatan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi;
● Memperkuat pemilihan bahan bantu sintering dan penelitian teoritis terkait;
●Memperkuat penelitian dan pengembangan peralatan sintering kelas atas. Dengan mengatur proses sintering untuk mendapatkan struktur mikro yang wajar, hal ini merupakan syarat penting untuk mendapatkan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi.
Langkah-langkah untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik silikon karbida
Kunci untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik SiC adalah dengan mengurangi frekuensi hamburan fonon dan meningkatkan jalur bebas rata-rata fonon. Konduktivitas termal SiC akan ditingkatkan secara efektif dengan mengurangi porositas dan kepadatan batas butir keramik SiC, meningkatkan kemurnian batas butir SiC, mengurangi pengotor kisi SiC atau cacat kisi, dan meningkatkan pembawa transmisi aliran panas dalam SiC. Saat ini, pengoptimalan jenis dan kandungan bahan bantu sintering dan perlakuan panas suhu tinggi merupakan langkah utama untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik SiC.
① Mengoptimalkan jenis dan kandungan bahan pembantu sintering
Berbagai bahan pembantu sintering sering ditambahkan saat menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi. Di antaranya, jenis dan kandungan bahan pembantu sintering sangat berpengaruh terhadap konduktivitas termal keramik SiC. Misalnya, unsur Al atau O dalam sistem bahan pembantu sintering Al2O3 mudah larut ke dalam kisi SiC, mengakibatkan kekosongan dan cacat, yang menyebabkan peningkatan frekuensi hamburan fonon. Selain itu, jika kandungan bahan pembantu sintering rendah, material sulit disinter dan dipadatkan, sedangkan kandungan bahan pembantu sintering yang tinggi akan menyebabkan peningkatan pengotor dan cacat. Bahan pembantu sintering fase cair yang berlebihan juga dapat menghambat pertumbuhan butiran SiC dan mengurangi jalur bebas rata-rata fonon. Oleh karena itu, untuk menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi, perlu untuk mengurangi kandungan bahan pembantu sintering sebisa mungkin sambil tetap memenuhi persyaratan kepadatan sintering, dan mencoba memilih bahan pembantu sintering yang sulit larut dalam kisi SiC.
*Sifat termal keramik SiC ketika berbagai bahan bantu sinter ditambahkan
Saat ini, keramik SiC yang dipres panas dan disinter dengan BeO sebagai bahan bantu sintering memiliki konduktivitas termal suhu ruang maksimum (270 W·m⁻¹·K⁻¹). Namun, BeO adalah bahan yang sangat beracun dan karsinogenik, dan tidak cocok untuk aplikasi luas di laboratorium atau bidang industri. Titik eutektik terendah dari sistem Y₂O₃-Al₂O₃ adalah 1760℃, yang merupakan bahan bantu sintering fase cair umum untuk keramik SiC. Namun, karena Al³⁺ mudah larut ke dalam kisi SiC, ketika sistem ini digunakan sebagai bahan bantu sintering, konduktivitas termal suhu ruang keramik SiC kurang dari 200 W·m⁻¹·K⁻¹.
Unsur tanah jarang seperti Y, Sm, Sc, Gd, dan La tidak mudah larut dalam kisi SiC dan memiliki afinitas oksigen yang tinggi, yang dapat secara efektif mengurangi kandungan oksigen dalam kisi SiC. Oleh karena itu, sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) adalah bahan bantu sintering umum untuk pembuatan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi (>200W·m-1·K-1). Mengambil contoh bahan bantu sintering sistem Y2O3-Sc2O3, nilai deviasi ion Y3+ dan Si4+ besar, dan keduanya tidak mengalami larutan padat. Kelarutan Sc dalam SiC murni pada suhu 1800~2600℃ kecil, sekitar (2~3)×1017 atom·cm-3.
② Perlakuan panas suhu tinggi
Perlakuan panas suhu tinggi pada keramik SiC bermanfaat untuk menghilangkan cacat kisi, dislokasi, dan tegangan sisa, mendorong transformasi struktural beberapa material amorf menjadi kristal, dan melemahkan efek hamburan fonon. Selain itu, perlakuan panas suhu tinggi dapat secara efektif mendorong pertumbuhan butiran SiC, dan pada akhirnya meningkatkan sifat termal material. Misalnya, setelah perlakuan panas suhu tinggi pada 1950°C, koefisien difusi termal keramik SiC meningkat dari 83,03 mm²·s⁻¹ menjadi 89,50 mm²·s⁻¹, dan konduktivitas termal suhu ruang meningkat dari 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ menjadi 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Perlakuan panas suhu tinggi secara efektif meningkatkan kemampuan deoksidasi bahan bantu sintering pada permukaan dan kisi SiC, dan membuat hubungan antar butiran SiC lebih erat. Setelah perlakuan panas suhu tinggi, konduktivitas termal keramik SiC pada suhu ruang telah meningkat secara signifikan.
Waktu posting: 24 Oktober 2024