Pašlaiksilīcija karbīds (SiC)ir siltumvadošs keramikas materiāls, kas tiek aktīvi pētīts gan mājās, gan ārzemēs. SiC teorētiskā siltumvadītspēja ir ļoti augsta, un dažas kristāla formas var sasniegt 270 W/mK, kas jau ir līderis starp nevadošiem materiāliem. Piemēram, SiC siltumvadītspējas pielietojumu var redzēt pusvadītāju ierīču substrātu materiālos, augstas siltumvadītspējas keramikas materiālos, sildītājos un sildīšanas plāksnēs pusvadītāju apstrādei, kapsulu materiālos kodoldegvielai un gāzes blīvēšanas gredzenos kompresoru sūkņiem.
Piemērošanasilīcija karbīdspusvadītāju jomā
Slīpēšanas diski un stiprinājumi ir svarīgas silīcija plākšņu ražošanas iekārtas pusvadītāju rūpniecībā. Ja slīpēšanas disks ir izgatavots no čuguna vai oglekļa tērauda, tā kalpošanas laiks ir īss un termiskās izplešanās koeficients ir liels. Silīcija plākšņu apstrādes laikā, īpaši ātrgaitas slīpēšanas vai pulēšanas laikā, slīpēšanas diska nodiluma un termiskās deformācijas dēļ ir grūti garantēt silīcija plākšņu līdzenumu un paralēlismu. Slīpēšanas disks, kas izgatavots nosilīcija karbīda keramikapateicoties augstajai cietībai, tam ir zems nodilums, un tā termiskās izplešanās koeficients būtībā ir tāds pats kā silīcija plāksnēm, tāpēc to var slīpēt un pulēt lielā ātrumā.
Turklāt, ražojot silīcija plāksnes, tām jāveic augstas temperatūras termiskā apstrāde, un tās bieži tiek transportētas, izmantojot silīcija karbīda stiprinājumus. Tās ir karstumizturīgas un nesagraujošas. Uz virsmas var uzklāt dimantam līdzīgu ogli (DLC) un citus pārklājumus, lai uzlabotu veiktspēju, mazinātu plākšņu bojājumus un novērstu piesārņojuma izplatīšanos.
Turklāt, kā trešās paaudzes platjoslas pusvadītāju materiālu pārstāvis, silīcija karbīda monokristāla materiāliem piemīt tādas īpašības kā liels joslas platums (apmēram 3 reizes lielāks nekā Si), augsta siltumvadītspēja (apmēram 3,3 reizes lielāks nekā Si vai 10 reizes lielāks nekā GaAs), augsts elektronu piesātinājuma migrācijas ātrums (apmēram 2,5 reizes lielāks nekā Si) un augsts elektriskā lauka sabrukšanas ātrums (apmēram 10 reizes lielāks nekā Si vai 5 reizes lielāks nekā GaAs). SiC ierīces praktiskos pielietojumos kompensē tradicionālo pusvadītāju materiālu ierīču defektus un pakāpeniski kļūst par galveno jaudas pusvadītāju materiālu.
Pieprasījums pēc augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramikas ir ievērojami pieaudzis.
Līdz ar zinātnes un tehnoloģiju nepārtrauktu attīstību ir ievērojami pieaudzis pieprasījums pēc silīcija karbīda keramikas pielietojuma pusvadītāju jomā, un augsta siltumvadītspēja ir galvenais rādītājs tās pielietojumam pusvadītāju ražošanas iekārtu komponentos. Tāpēc ir svarīgi stiprināt pētījumus par silīcija karbīda keramiku ar augstu siltumvadītspēju. Galvenās metodes silīcija karbīda keramikas siltumvadītspējas uzlabošanai ir samazināt režģa skābekļa saturu, uzlabot blīvumu un saprātīgi regulēt otrās fāzes sadalījumu režģī.
Pašlaik manā valstī ir maz pētījumu par silīcija karbīda keramiku ar augstu siltumvadītspēju, un joprojām pastāv liela atšķirība salīdzinājumā ar pasaules līmeni. Turpmākie pētījumu virzieni ietver:
●Stiprināt silīcija karbīda keramikas pulvera sagatavošanas procesa izpēti. Augstas tīrības pakāpes, zema skābekļa satura silīcija karbīda pulvera sagatavošana ir pamats augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramikas sagatavošanai;
● Stiprināt sintēšanas palīglīdzekļu izvēli un saistītos teorētiskos pētījumus;
● Stiprināt augstas klases sintēšanas iekārtu pētniecību un attīstību. Regulējot sintēšanas procesu, lai iegūtu saprātīgu mikrostruktūru, tas ir nepieciešams nosacījums augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramikas iegūšanai.
Pasākumi silīcija karbīda keramikas siltumvadītspējas uzlabošanai
SiC keramikas siltumvadītspējas uzlabošanas atslēga ir fononu izkliedes frekvences samazināšana un fononu vidējā brīvā ceļa palielināšana. SiC siltumvadītspēja tiks efektīvi uzlabota, samazinot SiC keramikas porainību un graudu robežu blīvumu, uzlabojot SiC graudu robežu tīrību, samazinot SiC režģa piemaisījumus vai režģa defektus un palielinot siltuma plūsmas pārnesi SiC. Pašlaik galvenie pasākumi SiC keramikas siltumvadītspējas uzlabošanai ir sintēšanas palīglīdzekļu veida un satura optimizēšana, kā arī augstas temperatūras termiskā apstrāde.
① Sintēšanas palīglīdzekļu veida un satura optimizācija
Augstas siltumvadītspējas SiC keramikas izgatavošanā bieži tiek pievienoti dažādi sintēzes palīglīdzekļi. Starp tiem sintēzes palīglīdzekļu veids un saturs būtiski ietekmē SiC keramikas siltumvadītspēju. Piemēram, Al2O3 sistēmas sintēzes palīglīdzekļos esošie Al vai O elementi viegli izšķīst SiC režģī, kā rezultātā rodas vakances un defekti, kas savukārt palielina fononu izkliedes frekvenci. Turklāt, ja sintēzes palīglīdzekļu saturs ir zems, materiālu ir grūti sintēzet un blīvēt, savukārt augsts sintēzes palīglīdzekļu saturs palielinās piemaisījumu un defektu daudzumu. Pārmērīgs šķidrās fāzes sintēzes palīglīdzekļu daudzums var arī kavēt SiC graudu augšanu un samazināt fononu vidējo brīvo ceļu. Tāpēc, lai sagatavotu augstas siltumvadītspējas SiC keramiku, ir nepieciešams pēc iespējas samazināt sintēzes palīglīdzekļu saturu, vienlaikus ievērojot sintēzes blīvuma prasības, un mēģināt izvēlēties sintēzes palīglīdzekļus, kas grūti šķīst SiC režģī.
*SiC keramikas termiskās īpašības, pievienojot dažādus sintēšanas palīglīdzekļus
Pašlaik karstpresētai SiC keramikai, kas saķepināta ar BeO kā saķepināšanas palīglīdzekli, ir maksimālā istabas temperatūras siltumvadītspēja (270 W·m-1·K-1). Tomēr BeO ir ļoti toksisks materiāls un kancerogēns, un tas nav piemērots plašai izmantošanai laboratorijās vai rūpnieciskās jomās. Y2O3-Al2O3 sistēmas zemākais eitektiskais punkts ir 1760 ℃, kas ir izplatīts šķidrfāzes saķepināšanas palīglīdzeklis SiC keramikai. Tomēr, tā kā Al3+ viegli izšķīst SiC režģī, izmantojot šo sistēmu kā saķepināšanas palīglīdzekli, SiC keramikas siltumvadītspēja istabas temperatūrā ir mazāka par 200 W·m-1·K-1.
Retzemju elementi, piemēram, Y, Sm, Sc, Gd un La, SiC režģī viegli nešķīst un tiem ir augsta skābekļa afinitāte, kas var efektīvi samazināt SiC režģa skābekļa saturu. Tāpēc Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) sistēma ir izplatīts sintēzes līdzeklis augstas siltumvadītspējas (>200 W·m-1·K-1) SiC keramikas pagatavošanai. Ņemot par piemēru Y2O3-Sc2O3 sistēmas sintēzes līdzekli, Y3+ un Si4+ jonu novirzes vērtība ir liela, un abi nešķīst cietā stāvoklī. Sc šķīdība tīrā SiC 1800–2600 ℃ temperatūrā ir maza, aptuveni (2~3) × 1017 atoms·cm-3.
② Augstas temperatūras termiskā apstrāde
SiC keramikas termiskā apstrāde augstā temperatūrā veicina režģa defektu, dislokāciju un atlikušo spriegumu novēršanu, veicina dažu amorfu materiālu strukturālu pārveidošanos kristālos un vājina fononu izkliedes efektu. Turklāt termiskā apstrāde augstā temperatūrā var efektīvi veicināt SiC graudu augšanu un galu galā uzlabot materiāla termiskās īpašības. Piemēram, pēc termiskās apstrādes augstā temperatūrā 1950°C SiC keramikas termiskās difūzijas koeficients palielinājās no 83,03 mm2·s-1 līdz 89,50 mm2·s-1, un istabas temperatūras siltumvadītspēja palielinājās no 180,94 W·m-1·K-1 līdz 192,17 W·m-1·K-1. Augstas temperatūras termiskā apstrāde efektīvi uzlabo saķepināšanas līdzekļa deoksidācijas spēju uz SiC virsmas un režģa, kā arī padara ciešāku savienojumu starp SiC graudiem. Pēc termiskās apstrādes augstā temperatūrā SiC keramikas siltumvadītspēja istabas temperatūrā ir ievērojami uzlabojusies.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 24. oktobris