Saat ini,silikon karbida (SiC)adalah material keramik konduktif termal yang tengah dipelajari secara aktif di dalam dan luar negeri. Konduktivitas termal teoritis SiC sangat tinggi, dan beberapa bentuk kristal dapat mencapai 270W/mK, yang sudah menjadi yang terdepan di antara material non-konduktif. Misalnya, penerapan konduktivitas termal SiC dapat dilihat pada material substrat perangkat semikonduktor, material keramik konduktivitas termal tinggi, pemanas dan pelat pemanas untuk pemrosesan semikonduktor, material kapsul untuk bahan bakar nuklir, dan cincin penyegel gas untuk pompa kompresor.
Aplikasi darisilikon karbidadi bidang semikonduktor
Cakram dan perlengkapan penggilingan merupakan peralatan proses penting untuk produksi wafer silikon dalam industri semikonduktor. Jika cakram penggilingan terbuat dari besi tuang atau baja karbon, masa pakainya pendek dan koefisien ekspansi termalnya besar. Selama pemrosesan wafer silikon, terutama selama penggilingan atau pemolesan berkecepatan tinggi, karena keausan dan deformasi termal cakram penggilingan, kerataan dan paralelisme wafer silikon sulit dijamin. Cakram penggilingan yang terbuat darikeramik silikon karbidamemiliki 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 bersuhu tinggi dan sering diangkut menggunakan perlengkapan silikon karbida. Wafer silikon tahan panas dan tidak merusak. Karbon seperti berlian (DLC) dan pelapis lainnya dapat diaplikasikan pada permukaan untuk meningkatkan kinerja, mengurangi kerusakan wafer, dan mencegah penyebaran kontaminasi.
Lebih jauh lagi, sebagai perwakilan dari bahan semikonduktor celah pita lebar generasi ketiga, bahan 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 cacat perangkat bahan semikonduktor tradisional dalam aplikasi praktis dan secara bertahap menjadi arus utama semikonduktor daya.
Permintaan keramik silikon karbida konduktivitas termal tinggi telah meningkat secara dramatis
Dengan terus berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, permintaan untuk penerapan keramik silikon karbida di bidang semikonduktor telah meningkat secara dramatis, dan konduktivitas termal yang tinggi merupakan indikator utama untuk penerapannya dalam komponen peralatan manufaktur semikonduktor. Oleh karena itu, sangat penting untuk memperkuat penelitian tentang keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal yang tinggi. Mengurangi kandungan oksigen kisi, meningkatkan kepadatan, dan mengatur distribusi fase kedua dalam kisi secara wajar merupakan metode utama untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik silikon karbida.
Saat ini, hanya ada sedikit penelitian tentang keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi di negara saya, dan masih terdapat kesenjangan yang besar dibandingkan dengan tingkat dunia. Arah penelitian di masa mendatang meliputi:
●Memperkuat penelitian proses penyiapan bubuk keramik silikon karbida. Penyiapan bubuk silikon karbida dengan kemurnian tinggi dan oksigen rendah merupakan dasar penyiapan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi;
● Memperkuat pemilihan alat bantu sintering dan penelitian teoritis terkait;
●Memperkuat penelitian dan pengembangan peralatan sintering canggih. Dengan mengatur proses sintering untuk memperoleh struktur mikro yang wajar, hal ini merupakan syarat mutlak untuk memperoleh keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal yang tinggi.
Langkah-langkah untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik silikon karbida
Kunci untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik SiC adalah mengurangi frekuensi hamburan fonon dan meningkatkan jarak bebas rata-rata fonon. Konduktivitas termal SiC akan ditingkatkan secara efektif dengan mengurangi porositas dan kerapatan 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, mengoptimalkan jenis dan kandungan bahan pembantu sintering dan perlakuan panas suhu tinggi merupakan langkah utama untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik SiC.
① Mengoptimalkan jenis dan isi bahan pembantu sintering
Berbagai bahan pembantu sintering sering ditambahkan saat menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi. Di antara bahan-bahan tersebut, jenis dan kandungan bahan pembantu sintering memiliki pengaruh besar terhadap konduktivitas termal keramik SiC. Misalnya, unsur Al atau O dalam bahan pembantu sintering sistem Al2O3 mudah larut ke dalam kisi SiC, sehingga menghasilkan 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 lintasan bebas rata-rata fonon. Oleh karena itu, untuk menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal yang tinggi, perlu mengurangi kandungan bahan pembantu sintering sebanyak mungkin sambil memenuhi persyaratan kerapatan sintering, dan mencoba memilih bahan pembantu sintering yang sulit larut dalam kisi SiC.
*Sifat termal keramik SiC ketika berbagai bahan pembantu sintering ditambahkan
Saat ini, keramik SiC yang dipres panas dan disinter dengan BeO sebagai bahan pembantu sintering memiliki konduktivitas termal suhu ruangan maksimum (270W·m-1·K-1). Akan tetapi, BeO merupakan bahan yang sangat beracun dan bersifat karsinogenik, dan tidak cocok untuk aplikasi yang luas di laboratorium atau bidang industri. Titik eutektik terendah dari sistem Y2O3-Al2O3 adalah 1760℃, yang merupakan bahan pembantu sintering fase cair yang umum untuk keramik SiC. Akan tetapi, karena Al3+ mudah larut ke dalam kisi SiC, ketika sistem ini digunakan sebagai bahan pembantu sintering, konduktivitas termal suhu ruangan keramik SiC kurang dari 200W·m-1·K-1.
Elemen tanah jarang seperti Y, Sm, Sc, Gd dan La tidak mudah larut dalam kisi SiC dan memiliki afinitas oksigen yang tinggi, yang secara efektif dapat mengurangi kandungan oksigen dalam kisi SiC. Oleh karena itu, sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) merupakan bahan pembantu sintering yang umum untuk menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi (>200W·m-1·K-1). Mengambil contoh bahan pembantu 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)×1017atom·cm-3.
② Perlakuan panas suhu tinggi
Perlakuan panas suhu tinggi pada keramik SiC membantu 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 ruangan 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 pembantu sintering pada permukaan dan kisi SiC, dan membuat hubungan antara butiran SiC lebih erat. Setelah perlakuan panas suhu tinggi, konduktivitas termal suhu ruangan dari keramik SiC telah ditingkatkan secara signifikan.
Waktu posting: 24-Okt-2024