Momenteel,siliciumcarbide (SiC)SiC is een thermisch geleidend keramisch materiaal dat zowel in binnen- als buitenland actief wordt onderzocht. De theoretische thermische geleidbaarheid van SiC is zeer hoog, en sommige kristalvormen kunnen een waarde van 270 W/mK bereiken, waarmee het al een toonaangevende positie inneemt onder niet-geleidende materialen. Toepassingen van SiC met zijn thermische geleidbaarheid zijn bijvoorbeeld te vinden in substraatmaterialen voor halfgeleidercomponenten, keramische materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, verwarmingselementen en verwarmingsplaten voor halfgeleiderverwerking, capsulematerialen voor kernbrandstof en gasafdichtingsringen voor compressorpompen.
Toepassing vansiliciumcarbideop het gebied van halfgeleiders
Slijpschijven en opspaninrichtingen zijn belangrijke procesapparatuur voor de productie van siliciumwafels in de halfgeleiderindustrie. Als de slijpschijf is gemaakt van gietijzer of koolstofstaal, is de levensduur kort en de thermische uitzettingscoëfficiënt groot. Tijdens de bewerking van siliciumwafels, met name tijdens het slijpen of polijsten op hoge snelheid, is het door slijtage en thermische vervorming van de slijpschijf moeilijk om de vlakheid en paralleliteit van de siliciumwafel te garanderen. De slijpschijf gemaakt van gietijzer of koolstofstaal heeft een aanzienlijke impact op de productie van siliciumwafels.siliciumcarbide keramiekHet materiaal heeft een lage slijtage door zijn hoge hardheid en de thermische uitzettingscoëfficiënt is vrijwel gelijk aan die van siliciumwafers, waardoor het op hoge snelheid geslepen en gepolijst kan worden.
Bovendien moeten siliciumwafers tijdens de productie een warmtebehandeling bij hoge temperaturen ondergaan en worden ze vaak getransporteerd met behulp van siliciumcarbide-houders. Deze houders zijn hittebestendig en niet-destructief. Diamantachtige koolstof (DLC) en andere coatings kunnen op het oppervlak worden aangebracht om de prestaties te verbeteren, schade aan de wafers te verminderen en de verspreiding van verontreiniging te voorkomen.
Bovendien hebben siliciumcarbide-eenkristallen, als vertegenwoordiger van de derde generatie halfgeleidermaterialen met een brede bandgap, eigenschappen zoals een grote bandgap (ongeveer 3 keer die van Si), een hoge thermische geleidbaarheid (ongeveer 3,3 keer die van Si of 10 keer die van GaAs), een hoge elektronverzadigingsmigratiesnelheid (ongeveer 2,5 keer die van Si) en een hoog doorslagveld (ongeveer 10 keer die van Si of 5 keer die van GaAs). SiC-componenten compenseren de tekortkomingen van traditionele halfgeleidermaterialen in praktische toepassingen en worden geleidelijk aan de standaard voor vermogenshalfgeleiders.
De vraag naar siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid is enorm toegenomen.
Door de voortdurende ontwikkeling van wetenschap en technologie is de vraag naar siliciumcarbidekeramiek in de halfgeleiderindustrie enorm toegenomen. Een hoge thermische geleidbaarheid is een belangrijke indicator voor de toepassing ervan in componenten van halfgeleiderproductieapparatuur. Daarom is het cruciaal om het onderzoek naar siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te versterken. Het verlagen van het zuurstofgehalte in het kristalrooster, het verhogen van de dichtheid en het op een verstandige manier reguleren van de verdeling van de tweede fase in het rooster zijn de belangrijkste methoden om de thermische geleidbaarheid van siliciumcarbidekeramiek te verbeteren.
Momenteel zijn er in mijn land weinig studies naar siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid, en er is nog steeds een grote kloof met het wereldniveau. Toekomstige onderzoeksrichtingen zijn onder andere:
●Versterk het onderzoek naar het bereidingsproces van siliciumcarbide keramisch poeder. De bereiding van zeer zuiver, zuurstofarm siliciumcarbidepoeder is de basis voor de bereiding van siliciumcarbide keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid;
● De selectie van sinterhulpmiddelen en het daarmee samenhangende theoretische onderzoek versterken;
●Versterk het onderzoek en de ontwikkeling van hoogwaardige sinterapparatuur. Door het sinterproces te reguleren om een optimale microstructuur te verkrijgen, is dit een noodzakelijke voorwaarde voor het produceren van siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid.
Maatregelen om de thermische geleidbaarheid van siliciumcarbidekeramiek te verbeteren
De sleutel tot het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek ligt in het verlagen van de fononverstrooiingsfrequentie en het vergroten van de gemiddelde vrije weglengte van fononen. De thermische geleidbaarheid van SiC kan effectief worden verbeterd door de porositeit en korrelgrensdichtheid van SiC-keramiek te verminderen, de zuiverheid van de SiC-korrelgrenzen te verbeteren, roosterverontreinigingen of roosterdefecten in SiC te verminderen en de warmteoverdrachtsdragers in SiC te vergroten. Momenteel zijn het optimaliseren van het type en de hoeveelheid sinterhulpmiddelen en de warmtebehandeling bij hoge temperaturen de belangrijkste maatregelen om de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek te verbeteren.
① Optimaliseren van het type en de samenstelling van de sinterhulpmiddelen
Bij de bereiding van SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid worden vaak diverse sinterhulpmiddelen toegevoegd. Het type en de hoeveelheid van deze sinterhulpmiddelen hebben een grote invloed op de thermische geleidbaarheid van het SiC-keramiek. Zo lossen elementen als aluminium (Al) of zuurstof (O) in het Al2O3-systeem gemakkelijk op in het SiC-rooster, wat leidt tot vacatures en defecten en een verhoging van de fononverstrooiingsfrequentie. Bovendien is het materiaal moeilijk te sinteren en te verdichten bij een lage hoeveelheid sinterhulpmiddelen, terwijl een hoge hoeveelheid sinterhulpmiddelen leidt tot een toename van onzuiverheden en defecten. Overmatige hoeveelheden vloeibare sinterhulpmiddelen kunnen ook de groei van SiC-korrels remmen en de gemiddelde vrije weglengte van fononen verkleinen. Om SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te produceren, is het daarom noodzakelijk om de hoeveelheid sinterhulpmiddelen zoveel mogelijk te beperken, terwijl tegelijkertijd aan de eisen voor de sinterdichtheid wordt voldaan, en om sinterhulpmiddelen te kiezen die moeilijk oplossen in het SiC-rooster.
*Thermische eigenschappen van SiC-keramiek bij toevoeging van verschillende sinterhulpmiddelen
Momenteel hebben warmgeperste SiC-keramieken, gesinterd met BeO als sinterhulpmiddel, de hoogste thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur (270 W·m⁻¹·K⁻¹). BeO is echter een zeer giftige en kankerverwekkende stof en is daarom niet geschikt voor wijdverspreide toepassing in laboratoria of de industrie. Het laagste eutectische punt van het Y₂O₃-Al₂O₃-systeem ligt op 1760 °C. Dit systeem wordt vaak gebruikt als vloeibaar sinterhulpmiddel voor SiC-keramiek. Omdat Al³⁺ echter gemakkelijk oplost in het SiC-rooster, is de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek bij kamertemperatuur lager dan 200 W·m⁻¹·K⁻¹ wanneer dit systeem als sinterhulpmiddel wordt gebruikt.
Zeldzame aardmetalen zoals Y, Sm, Sc, Gd en La zijn niet gemakkelijk oplosbaar in het SiC-rooster en hebben een hoge affiniteit voor zuurstof, waardoor het zuurstofgehalte van het SiC-rooster effectief kan worden verlaagd. Daarom is het Y2O3-RE2O3-systeem (RE = Sm, Sc, Gd, La) een veelgebruikt sinterhulpmiddel voor de bereiding van SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid (>200 W·m⁻¹·K⁻¹). Neem bijvoorbeeld het Y2O3-Sc2O3-systeem als sinterhulpmiddel: de ionenafwijking van Y³⁺ en Si⁴⁺ is groot en de twee vormen geen vaste oplossing. De oplosbaarheid van Sc in zuiver SiC bij 1800-2600 °C is klein, ongeveer (2-3) × 10¹⁷ atomen·cm⁻³.
② Warmtebehandeling bij hoge temperatuur
Warmtebehandeling van SiC-keramiek bij hoge temperaturen is gunstig voor het elimineren van roosterdefecten, dislocaties en restspanningen, het bevorderen van de structurele transformatie van sommige amorfe materialen naar kristallen en het verzwakken van het fononverstrooiingseffect. Bovendien kan warmtebehandeling bij hoge temperaturen de groei van SiC-korrels effectief bevorderen en uiteindelijk de thermische eigenschappen van het materiaal verbeteren. Zo steeg na warmtebehandeling bij 1950 °C de thermische diffusiecoëfficiënt van SiC-keramiek van 83,03 mm²·s⁻¹ naar 89,50 mm²·s⁻¹, en de thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur van 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ naar 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Warmtebehandeling bij hoge temperaturen verbetert effectief het deoxidatievermogen van het sinterhulpmiddel op het SiC-oppervlak en in het rooster, en zorgt voor een hechtere verbinding tussen de SiC-korrels. Na een warmtebehandeling op hoge temperatuur is de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek bij kamertemperatuur aanzienlijk verbeterd.
Geplaatst op: 24 oktober 2024