Šiuo metusilicio karbidas (SiC)yra šilumai laidi keraminė medžiaga, aktyviai tiriama šalyje ir užsienyje. Teorinis SiC šilumos laidumas yra labai didelis, o kai kurios kristalinės formos gali siekti 270 W/mK, o tai jau yra lyderis tarp nelaidžių medžiagų. Pavyzdžiui, SiC šilumos laidumo taikymą galima pamatyti puslaidininkinių įtaisų substrato medžiagose, didelio šilumos laidumo keraminėse medžiagose, šildytuvuose ir kaitinimo plokštėse puslaidininkių apdirbimui, branduolinio kuro kapsulių medžiagose ir kompresorinių siurblių dujų sandarinimo žieduose.
Taikymassilicio karbidaspuslaidininkių srityje
Šlifavimo diskai ir tvirtinimo elementai yra svarbi silicio plokštelių gamybos įranga puslaidininkių pramonėje. Jei šlifavimo diskas pagamintas iš ketaus arba anglinio plieno, jo tarnavimo laikas yra trumpas, o šiluminio plėtimosi koeficientas didelis. Apdorojant silicio plokšteles, ypač greitojo šlifavimo ar poliravimo metu, dėl šlifavimo disko susidėvėjimo ir šiluminės deformacijos sunku užtikrinti silicio plokštelės lygumą ir lygiagretumą. Šlifavimo diskas, pagamintas iš...silicio karbido keramikadėl didelio kietumo mažai dilsta, o jo šiluminio plėtimosi koeficientas iš esmės toks pat kaip silicio plokštelių, todėl jį galima šlifuoti ir poliruoti dideliu greičiu.
Be to, gaminant silicio plokšteles, jos turi būti termiškai apdorotos aukštoje temperatūroje ir dažnai transportuojamos naudojant silicio karbido tvirtinimo elementus. Jos yra atsparios karščiui ir neardomosios. Siekiant pagerinti našumą, sumažinti plokštelių pažeidimus ir užkirsti kelią užterštumui, ant paviršiaus galima užtepti deimanto pavidalo anglies (DLC) ir kitų dangų.
Be to, kaip trečios kartos plataus draudžiamojo tarpo puslaidininkinių medžiagų atstovas, silicio karbido monokristalai pasižymi tokiomis savybėmis kaip didelis draudžiamojo tarpo plotis (maždaug 3 kartus didesnis nei Si), didelis šilumos laidumas (maždaug 3,3 karto didesnis nei Si arba 10 kartų didesnis nei GaAs), didelis elektronų prisotinimo migracijos greitis (maždaug 2,5 karto didesnis nei Si) ir didelis pramušimo elektrinis laukas (maždaug 10 kartų didesnis nei Si arba 5 kartus didesnis nei GaAs). SiC įtaisai praktiniame pritaikyme kompensuoja tradicinių puslaidininkinių medžiagų įtaisų defektus ir pamažu tampa pagrindine galios puslaidininkių medžiaga.
Labai išaugo didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos paklausa
Nuolat tobulėjant mokslui ir technologijoms, silicio karbido keramikos taikymo puslaidininkių srityje paklausa labai išaugo, o didelis šilumos laidumas yra pagrindinis rodiklis, leidžiantis ją taikyti puslaidininkių gamybos įrangos komponentuose. Todėl labai svarbu stiprinti didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos tyrimus. Pagrindiniai silicio karbido keramikos šilumos laidumo gerinimo metodai yra sumažinti gardelės deguonies kiekį, pagerinti tankį ir pagrįstai reguliuoti antrosios fazės pasiskirstymą gardelėje.
Šiuo metu mano šalyje atlikta nedaug tyrimų apie didelio šiluminio laidumo silicio karbido keramiką, ir vis dar yra didelis atotrūkis, palyginti su pasauliniu lygiu. Būsimos tyrimų kryptys apima:
●Sustiprinti silicio karbido keraminių miltelių paruošimo proceso tyrimus. Didelio grynumo, mažai deguonies turinčių silicio karbido miltelių paruošimas yra didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos gamybos pagrindas;
● Sustiprinti sukepinimo priemonių pasirinkimą ir susijusius teorinius tyrimus;
●Stiprinti aukštos klasės sukepinimo įrangos tyrimus ir plėtrą. Reguliuojant sukepinimo procesą, siekiant gauti tinkamą mikrostruktūrą, tai yra būtina sąlyga norint gauti didelį šilumos laidumą turinčią silicio karbido keramiką.
Priemonės silicio karbido keramikos šilumos laidumui pagerinti
SiC keramikos šilumos laidumo gerinimo raktas yra fononų sklaidos dažnio sumažinimas ir fononų vidutinio laisvojo kelio padidinimas. SiC šilumos laidumas bus efektyviai pagerintas sumažinus SiC keramikos poringumą ir grūdelių ribų tankį, pagerinus SiC grūdelių ribų grynumą, sumažinus SiC gardelės priemaišas ar gardelės defektus ir padidinus šilumos srauto nešiklį SiC. Šiuo metu pagrindinės priemonės SiC keramikos šilumos laidumui gerinti yra optimizuoti sukepinimo priemonių tipą ir kiekį bei terminį apdorojimą aukštoje temperatūroje.
① Sukepinimo priemonių tipo ir sudėties optimizavimas
Gaminant didelio šilumos laidumo SiC keramiką, dažnai pridedama įvairių sukepinimo priemonių. Tarp jų sukepinimo priemonių tipas ir kiekis daro didelę įtaką SiC keramikos šilumos laidumui. Pavyzdžiui, Al2O3 sistemos sukepinimo priemonėse esantys Al arba O elementai lengvai ištirpsta SiC gardelėje, todėl susidaro vakansijos ir defektai, o tai padidina fononų sklaidos dažnį. Be to, jei sukepinimo priemonių kiekis yra mažas, medžiagą sunku sukepinti ir tankinti, o didelis sukepinimo priemonių kiekis padidins priemaišų ir defektų kiekį. Per didelis skystosios fazės sukepinimo priemonių kiekis taip pat gali slopinti SiC grūdelių augimą ir sumažinti vidutinį laisvą fononų kelią. Todėl norint pagaminti didelio šilumos laidumo SiC keramiką, būtina kuo labiau sumažinti sukepinimo priemonių kiekį, laikantis sukepinimo tankio reikalavimų, ir stengtis pasirinkti tokias sukepinimo priemones, kurios sunkiai tirpsta SiC gardelėje.
*SiC keramikos terminės savybės, kai pridedama įvairių sukepinimo priemonių
Šiuo metu karšto presavimo būdu pagaminta SiC keramika, sukepinta su BeO kaip sukepinimo priemone, pasižymi maksimaliu šilumos laidumu kambario temperatūroje (270 W·m-1·K-1). Tačiau BeO yra labai toksiška ir kancerogeninė medžiaga, todėl netinka plačiai taikyti laboratorijose ar pramonės srityse. Žemiausia Y2O3-Al2O3 sistemos eutektinė temperatūra yra 1760 ℃, tai yra įprasta skystosios fazės sukepinimo priemone SiC keramikai. Tačiau, kadangi Al3+ lengvai ištirpsta SiC gardelėje, kai ši sistema naudojama kaip sukepinimo priemone, SiC keramikos šilumos laidumas kambario temperatūroje yra mažesnis nei 200 W·m-1·K-1.
Retųjų žemių elementai, tokie kaip Y, Sm, Sc, Gd ir La, sunkiai tirpsta SiC gardelėje ir pasižymi dideliu deguonies afinitetu, kuris gali veiksmingai sumažinti deguonies kiekį SiC gardelėje. Todėl Y2O3-RE2O3 (RE = Sm, Sc, Gd, La) sistema yra įprastas sukepinimo agentas, skirtas didelio šilumos laidumo (> 200 W·m-1·K-1) SiC keramikai gaminti. Pavyzdžiui, Y2O3-Sc2O3 sistemos sukepinimo agentas rodo, kad Y3+ ir Si4+ jonų nuokrypio vertė yra didelė, ir jie abu neištirpsta kietoje būsenoje. Sc tirpumas gryname SiC 1800–2600 ℃ temperatūroje yra mažas, maždaug (2–3) × 1017 atoms·cm-3.
② Aukštos temperatūros terminis apdorojimas
Aukštos temperatūros terminis apdorojimas SiC keramiką padeda pašalinti gardelės defektus, dislokacijas ir liekamuosius įtempius, skatina kai kurių amorfinių medžiagų struktūrinę transformaciją į kristalus ir silpnina fononų sklaidos efektą. Be to, aukštos temperatūros terminis apdorojimas gali veiksmingai skatinti SiC grūdelių augimą ir galiausiai pagerinti medžiagos šilumines savybes. Pavyzdžiui, po aukštos temperatūros terminio apdorojimo 1950 °C temperatūroje SiC keramikos terminio difuzijos koeficientas padidėjo nuo 83,03 mm2·s-1 iki 89,50 mm2·s-1, o šilumos laidumas kambario temperatūroje padidėjo nuo 180,94 W·m-1·K-1 iki 192,17 W·m-1·K-1. Aukštos temperatūros terminis apdorojimas efektyviai pagerina sukepinimo pagalbinės medžiagos deoksidacijos gebėjimą SiC paviršiuje ir gardelėje bei sutvirtina SiC grūdelių ryšį. Po aukštos temperatūros terminio apdorojimo SiC keramikos šilumos laidumas kambario temperatūroje žymiai pagerėjo.
Įrašo laikas: 2024 m. spalio 24 d.