Attualmente,carburo di silicio (SiC)Il SiC è un materiale ceramico termicamente conduttivo, oggetto di intense ricerche sia a livello nazionale che internazionale. La sua conduttività termica teorica è molto elevata e alcune forme cristalline possono raggiungere i 270 W/mK, un valore già leader tra i materiali non conduttivi. Le applicazioni del SiC, ad esempio, trovano impiego nei substrati dei dispositivi a semiconduttore, nei materiali ceramici ad alta conduttività termica, nei riscaldatori e nelle piastre riscaldanti per la lavorazione dei semiconduttori, nei materiali per le capsule di combustibile nucleare e negli anelli di tenuta per le pompe dei compressori.
Applicazione dicarburo di silicionel settore dei semiconduttori
I dischi e i dispositivi di rettifica sono importanti apparecchiature di processo per la produzione di wafer di silicio nell'industria dei semiconduttori. Se il disco di rettifica è realizzato in ghisa o acciaio al carbonio, la sua durata è breve e il suo coefficiente di dilatazione termica è elevato. Durante la lavorazione dei wafer di silicio, in particolare durante la rettifica o la lucidatura ad alta velocità, a causa dell'usura e della deformazione termica del disco di rettifica, la planarità e il parallelismo del wafer di silicio sono difficili da garantire. Il disco di rettifica realizzato inceramiche al carburo di silicioPresenta una bassa usura grazie alla sua elevata durezza e il suo coefficiente di dilatazione termica è sostanzialmente lo stesso di quello dei wafer di silicio, quindi può essere rettificato e lucidato ad alta velocità.
Inoltre, durante la produzione, i wafer di silicio devono essere sottoposti a un trattamento termico ad alta temperatura e spesso vengono trasportati utilizzando supporti in carburo di silicio. Questi supporti sono resistenti al calore e non distruttivi. Il carbonio simile al diamante (DLC) e altri rivestimenti possono essere applicati sulla superficie per migliorarne le prestazioni, ridurre i danni ai wafer e impedire la diffusione di contaminazioni.
Inoltre, in quanto rappresentanti dei materiali semiconduttori a banda proibita ampia di terza generazione, i materiali monocristallini di carburo di silicio presentano proprietà quali un'ampia banda proibita (circa 3 volte quella del Si), un'elevata conduttività termica (circa 3,3 volte quella del Si o 10 volte quella del GaAs), un'elevata velocità di migrazione di saturazione degli elettroni (circa 2,5 volte quella del Si) e un elevato campo elettrico di rottura (circa 10 volte quello del Si o 5 volte quello del GaAs). I dispositivi in SiC compensano i difetti dei dispositivi a semiconduttore tradizionali nelle applicazioni pratiche e stanno gradualmente diventando la norma tra i semiconduttori di potenza.
La domanda di ceramiche al carburo di silicio ad alta conduttività termica è aumentata drasticamente
Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia, la domanda di applicazioni delle ceramiche di carburo di silicio nel settore dei semiconduttori è aumentata vertiginosamente, e l'elevata conduttività termica è un indicatore chiave per la loro applicazione nei componenti delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori. Pertanto, è fondamentale intensificare la ricerca sulle ceramiche di carburo di silicio ad alta conduttività termica. La riduzione del contenuto di ossigeno reticolare, il miglioramento della densità e la regolazione razionale della distribuzione della seconda fase nel reticolo sono i metodi principali per migliorare la conduttività termica delle ceramiche di carburo di silicio.
Attualmente, nel mio paese sono pochi gli studi sulle ceramiche di carburo di silicio ad alta conducibilità termica, e c'è ancora un notevole divario rispetto al livello mondiale. Le future direzioni di ricerca includono:
●Rafforzare la ricerca sul processo di preparazione della polvere ceramica di carburo di silicio. La preparazione di polvere di carburo di silicio ad elevata purezza e basso contenuto di ossigeno è la base per la preparazione di ceramiche di carburo di silicio ad alta conduttività termica;
● Rafforzare la selezione di coadiuvanti di sinterizzazione e la relativa ricerca teorica;
●Potenziare la ricerca e lo sviluppo di apparecchiature di sinterizzazione di fascia alta. Regolare il processo di sinterizzazione per ottenere una microstruttura adeguata è una condizione necessaria per ottenere ceramiche di carburo di silicio ad alta conduttività termica.
Misure per migliorare la conduttività termica delle ceramiche al carburo di silicio
La chiave per migliorare la conduttività termica delle ceramiche di SiC risiede nella riduzione della frequenza di scattering dei fononi e nell'aumento del loro cammino libero medio. La conduttività termica del SiC può essere efficacemente migliorata riducendo la porosità e la densità dei bordi di grano delle ceramiche di SiC, migliorando la purezza dei bordi di grano del SiC, riducendo le impurità o i difetti reticolari del SiC e aumentando il numero di portatori di calore trasportati nel SiC. Attualmente, l'ottimizzazione del tipo e del contenuto di additivi di sinterizzazione e il trattamento termico ad alta temperatura rappresentano le principali misure per migliorare la conduttività termica delle ceramiche di SiC.
① Ottimizzazione del tipo e del contenuto degli additivi di sinterizzazione
Nella preparazione di ceramiche di SiC ad alta conducibilità termica, vengono spesso aggiunti diversi coadiuvanti di sinterizzazione. Tra questi, il tipo e la concentrazione dei coadiuvanti di sinterizzazione hanno una grande influenza sulla conducibilità termica delle ceramiche di SiC. Ad esempio, gli elementi Al o O presenti nei coadiuvanti di sinterizzazione del sistema Al2O3 si dissolvono facilmente nel reticolo del SiC, causando la formazione di vacanze e difetti, il che porta a un aumento della frequenza di scattering dei fononi. Inoltre, se la concentrazione di coadiuvanti di sinterizzazione è bassa, il materiale risulta difficile da sinterizzare e densificare, mentre un'elevata concentrazione di coadiuvanti di sinterizzazione comporta un aumento di impurità e difetti. Un eccesso di coadiuvanti di sinterizzazione in fase liquida può anche inibire la crescita dei grani di SiC e ridurre il cammino libero medio dei fononi. Pertanto, per preparare ceramiche di SiC ad alta conduttività termica, è necessario ridurre il più possibile il contenuto di coadiuvanti di sinterizzazione, pur rispettando i requisiti di densità di sinterizzazione, e cercare di scegliere coadiuvanti di sinterizzazione che difficilmente si dissolvano nel reticolo del SiC.
*Proprietà termiche delle ceramiche SiC con l'aggiunta di diversi coadiuvanti di sinterizzazione
Attualmente, le ceramiche di SiC pressate a caldo e sinterizzate con BeO come coadiuvante di sinterizzazione presentano la massima conduttività termica a temperatura ambiente (270 W·m⁻¹·K⁻¹). Tuttavia, il BeO è un materiale altamente tossico e cancerogeno, e non è adatto per un'ampia applicazione in laboratori o in ambito industriale. Il punto eutettico più basso del sistema Y₂O₃-Al₂O₃ è di 1760 °C, ed è un comune coadiuvante di sinterizzazione in fase liquida per le ceramiche di SiC. Tuttavia, poiché l'Al³⁺ si dissolve facilmente nel reticolo del SiC, quando questo sistema viene utilizzato come coadiuvante di sinterizzazione, la conduttività termica a temperatura ambiente delle ceramiche di SiC è inferiore a 200 W·m⁻¹·K⁻¹.
Gli elementi delle terre rare come Y, Sm, Sc, Gd e La non sono facilmente solubili nel reticolo del SiC e hanno un'elevata affinità per l'ossigeno, che può ridurre efficacemente il contenuto di ossigeno del reticolo del SiC. Pertanto, il sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) è un comune coadiuvante di sinterizzazione per la preparazione di ceramiche di SiC ad alta conduttività termica (>200 W·m-1·K-1). Prendendo come esempio il coadiuvante di sinterizzazione del sistema Y2O3-Sc2O3, il valore di deviazione ionica di Y3+ e Si4+ è elevato e i due non subiscono una soluzione solida. La solubilità di Sc nel SiC puro a 1800~2600℃ è bassa, circa (2~3)×1017 atomi·cm-3.
② Trattamento termico ad alta temperatura
Il trattamento termico ad alta temperatura delle ceramiche di SiC contribuisce all'eliminazione dei difetti reticolari, delle dislocazioni e delle tensioni residue, promuovendo la trasformazione strutturale di alcuni materiali amorfi in cristalli e attenuando l'effetto di scattering fononico. Inoltre, il trattamento termico ad alta temperatura può favorire efficacemente la crescita dei grani di SiC e, in definitiva, migliorare le proprietà termiche del materiale. Ad esempio, dopo un trattamento termico ad alta temperatura a 1950 °C, il coefficiente di diffusione termica delle ceramiche di SiC è aumentato da 83,03 mm²·s⁻¹ a 89,50 mm²·s⁻¹, e la conduttività termica a temperatura ambiente è aumentata da 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ a 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Il trattamento termico ad alta temperatura migliora efficacemente la capacità di deossidazione dell'agente di sinterizzazione sulla superficie e sul reticolo del SiC, rendendo più solida la connessione tra i grani di SiC. In seguito al trattamento termico ad alta temperatura, la conduttività termica a temperatura ambiente delle ceramiche di SiC è risultata notevolmente migliorata.
Data di pubblicazione: 24 ottobre 2024