Attualmente,carburo di silicio (SiC)Il SiC è un materiale ceramico termoconduttivo, oggetto di studio attivo in patria e all'estero. La conduttività termica teorica del SiC è molto elevata e alcune forme cristalline possono raggiungere i 270 W/mK, il che lo rende già leader tra i materiali non conduttivi. Ad esempio, l'applicazione della conduttività termica del SiC si riscontra nei materiali di substrato 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 capsule per combustibile nucleare e negli anelli di tenuta per gas per pompe di compressione.
Applicazione dicarburo di silicionel campo dei semiconduttori
I dischi e gli utensili 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 inceramiche al carburo di siliciopresenta una bassa usura grazie alla sua elevata durezza e il suo coefficiente di dilatazione termica è praticamente lo stesso di quello dei wafer di silicio, quindi può essere levigato e lucidato ad alta velocità.
Inoltre, quando vengono prodotti, i wafer di silicio devono essere sottoposti a trattamenti termici ad alta temperatura e spesso vengono trasportati utilizzando attrezzature in carburo di silicio. Sono resistenti al calore e non distruttivi. Rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) e altri rivestimenti possono essere applicati sulla superficie per migliorare le prestazioni, ridurre i danni ai wafer e prevenire la diffusione di contaminazioni.
Inoltre, come rappresentanti dei materiali semiconduttori a banda larga di terza generazione, i materiali monocristallini in carburo di silicio presentano proprietà quali un'ampia ampiezza di banda (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 degli elettroni in saturazione (circa 2,5 volte quella del Si) e un elevato campo elettrico di breakdown (circa 10 volte quella del Si o 5 volte quella del GaAs). I dispositivi in SiC compensano i difetti dei dispositivi tradizionali in materiali semiconduttori nelle applicazioni pratiche e stanno gradualmente diventando la soluzione principale per 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 ceramiche al carburo di silicio nel campo dei semiconduttori è aumentata drasticamente e l'elevata conduttività termica è un indicatore chiave per la sua applicazione nei componenti delle apparecchiature di produzione di semiconduttori. Pertanto, è fondamentale rafforzare la ricerca sulle ceramiche al carburo di silicio ad alta conduttività termica. La riduzione del contenuto di ossigeno nel reticolo, il miglioramento della densità e una regolazione razionale della distribuzione della seconda fase nel reticolo sono i metodi principali per migliorare la conduttività termica delle ceramiche al carburo di silicio.
Attualmente, nel mio Paese sono pochi gli studi sulla ceramica al carburo di silicio ad alta conduttività termica, e il divario rispetto al livello mondiale è ancora ampio. 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 alta purezza e basso tenore di ossigeno è la base per la preparazione di ceramiche di carburo di silicio ad alta conduttività termica;
● Rafforzare la selezione degli ausili per la sinterizzazione e la relativa ricerca teorica;
●Rafforzare la ricerca e lo sviluppo di apparecchiature di sinterizzazione di fascia alta. Regolare il processo di sinterizzazione per ottenere una microstruttura ragionevole è una condizione necessaria per ottenere ceramiche al carburo di silicio ad alta conduttività termica.
Misure per migliorare la conduttività termica della ceramica al carburo di silicio
La chiave per migliorare la conduttività termica delle ceramiche SiC è ridurre la frequenza di diffusione dei fononi e aumentare il loro cammino libero medio. La conduttività termica del SiC sarà efficacemente migliorata riducendo la porosità e la densità dei bordi dei grani delle ceramiche SiC, migliorando la purezza dei bordi dei grani SiC, riducendo le impurità o i difetti reticolari del SiC e aumentando la trasmissione del calore nel SiC. Attualmente, l'ottimizzazione del tipo e del contenuto di coadiuvanti di sinterizzazione e il trattamento termico ad alta temperatura sono le principali misure per migliorare la conduttività termica delle ceramiche SiC.
① Ottimizzazione del tipo e del contenuto degli ausili di sinterizzazione
Durante la preparazione di ceramiche SiC ad alta conduttività termica, vengono spesso aggiunti vari adiuvanti di sinterizzazione. Tra questi, il tipo e il contenuto di adiuvanti di sinterizzazione influenzano notevolmente la conduttività termica delle ceramiche SiC. Ad esempio, gli elementi Al o O presenti negli adiuvanti di sinterizzazione del sistema Al₂O₂ si dissolvono facilmente nel reticolo del SiC, causando la formazione di lacune e difetti, con conseguente aumento della frequenza di diffusione dei fononi. Inoltre, un basso contenuto di adiuvanti di sinterizzazione rende il materiale difficile da sinterizzare e densificare, mentre un elevato contenuto di adiuvanti di sinterizzazione porta a un aumento di impurità e difetti. Un eccesso di adiuvanti 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 SiC ad elevata conduttività termica, è necessario ridurre il più possibile il contenuto di ausili di sinterizzazione, rispettando nel contempo i requisiti di densità di sinterizzazione, e cercare di scegliere ausili di sinterizzazione che siano difficili da sciogliere nel reticolo di SiC.
*Proprietà termiche della ceramica SiC quando vengono aggiunti diversi ausili di sinterizzazione
Attualmente, le ceramiche 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, BeO è un materiale altamente tossico e cancerogeno e non è adatto ad applicazioni diffuse in laboratorio o in ambito industriale. Il punto eutettico più basso del sistema Y₂O₂-Al₂O₂ è 1760 °C, che è un coadiuvante di sinterizzazione in fase liquida comune per le ceramiche SiC. Tuttavia, poiché Al₂+ si dissolve facilmente nel reticolo cristallino del SiC, quando questo sistema viene utilizzato come coadiuvante di sinterizzazione, la conduttività termica a temperatura ambiente delle ceramiche 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 di SiC e hanno un'elevata affinità per l'ossigeno, il che può ridurre efficacemente il contenuto di ossigeno nel reticolo di SiC. Pertanto, il sistema Y₂O₂-RE₂O₂ (RE=Sm, Sc, Gd, La) è un comune coadiuvante di sinterizzazione per la preparazione di ceramiche SiC ad alta conduttività termica (>200 W·m-1·K-1). Prendendo come esempio il coadiuvante di sinterizzazione del sistema Y₂O₂-Sc₂O₂, il valore di deviazione ionica di Y₂+ e Si₂+ è elevato, e i due non si sciolgono in soluzione solida. La solubilità di Sc in SiC puro a 1800~2600℃ è bassa, circa (2~3)×10₁⁵atomi·cm-3.
② Trattamento termico ad alta temperatura
Il trattamento termico ad alta temperatura delle ceramiche SiC contribuisce all'eliminazione di difetti reticolari, dislocazioni e tensioni residue, promuovendo la trasformazione strutturale di alcuni materiali amorfi in cristalli e indebolendo l'effetto di diffusione fononica. Inoltre, il trattamento termico ad alta temperatura può promuovere 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 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 del coadiuvante di sinterizzazione sulla superficie e sul reticolo del SiC e rende più stretta la connessione tra i grani di SiC. Dopo il trattamento termico ad alta temperatura, la conduttività termica a temperatura ambiente della ceramica SiC è stata notevolmente migliorata.
Data di pubblicazione: 24 ottobre 2024