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 270 W/mK bereiken, wat al een koploper is onder de niet-geleidende materialen. De toepassing van SiC thermische geleidbaarheid is bijvoorbeeld te zien in de substraatmaterialen van halfgeleiderapparaten, keramische materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, verwarmingselementen en verwarmingsplaten voor de verwerking van halfgeleiders, capsulematerialen voor kernbrandstof en gasafdichtingsringen voor compressorpompen.
Toepassing vansiliciumcarbideop het gebied van halfgeleiders
Slijpschijven en -klemmen zijn belangrijke procesapparatuur voor de productie van siliciumwafers in de halfgeleiderindustrie. Als de slijpschijf van gietijzer of koolstofstaal is gemaakt, is de levensduur kort en de thermische uitzettingscoëfficiënt groot. Tijdens de bewerking van siliciumwafers, met name tijdens het slijpen of polijsten op hoge snelheid, zijn de vlakheid en parallelliteit van de siliciumwafer door slijtage en thermische vervorming van de slijpschijf moeilijk te garanderen. De slijpschijf vansiliciumcarbide keramiekheeft een lage slijtage dankzij de hoge hardheid en de thermische uitzettingscoëfficiënt is ongeveer gelijk aan die van siliciumwafers, waardoor het met hoge snelheid kan worden geslepen en gepolijst.
Bovendien moeten siliciumwafers bij de productie een warmtebehandeling met hoge temperaturen ondergaan en worden ze vaak getransporteerd met behulp van siliciumcarbide-fixtures. Ze 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 wafer te beperken en verspreiding van verontreiniging te voorkomen.
Bovendien hebben siliciumcarbide monokristalmaterialen, als representatief voor de derde generatie halfgeleidermaterialen met 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 elektronenverzadigingsmigratiesnelheid (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 de standaard in vermogenshalfgeleiders.
De vraag naar siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid is dramatisch toegenomen
Met de voortdurende ontwikkeling van wetenschap en technologie is de vraag naar siliciumcarbidekeramiek in de halfgeleiderindustrie dramatisch toegenomen. Een hoge thermische geleidbaarheid is een belangrijke indicator voor de toepassing ervan in componenten van halfgeleiderapparatuur. Daarom is het cruciaal om het onderzoek naar siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te versterken. Het verlagen van het zuurstofgehalte in het rooster, het verbeteren van de dichtheid en het 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 de rest van de wereld. Toekomstige onderzoeksrichtingen omvatten:
● Versterk het onderzoeksproces naar siliciumcarbidekeramiekpoeder. De bereiding van siliciumcarbidepoeder met een hoge zuiverheid en een laag zuurstofgehalte vormt de basis voor de bereiding van siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid;
● Versterk de selectie van sinterhulpmiddelen en gerelateerd theoretisch onderzoek;
● Versterk het onderzoek naar en de ontwikkeling van hoogwaardige sinterapparatuur. Door het sinterproces te reguleren om een redelijke microstructuur te verkrijgen, is dit een noodzakelijke voorwaarde voor het verkrijgen 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 is het verlagen van de fononverstrooiingsfrequentie en het vergroten van de gemiddelde vrije weglengte. 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 warmteoverdrachtsdrager in SiC te verhogen. Momenteel zijn het optimaliseren van het type en de samenstelling van sinterhulpmiddelen en warmtebehandeling bij hoge temperaturen de belangrijkste maatregelen om de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek te verbeteren.
① Optimalisatie van het type en de inhoud van sinterhulpmiddelen
Bij de bereiding van SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid worden vaak diverse sinterhulpmiddelen toegevoegd. Het type en de samenstelling ervan hebben een grote invloed op de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek. Zo lossen Al- of O-elementen in de sinterhulpmiddelen van het Al₂O₂-systeem gemakkelijk op in het SiC-rooster, wat resulteert in vacatures en defecten, wat leidt tot een toename van de fononverstrooiingsfrequentie. Bovendien is het materiaal bij een laag gehalte aan sinterhulpmiddelen moeilijk te sinteren en te verdichten, terwijl een hoog gehalte aan sinterhulpmiddelen leidt tot een toename van onzuiverheden en defecten. Overmatige sinterhulpmiddelen in de vloeibare fase kunnen ook de groei van SiC-korrels belemmeren en de gemiddelde vrije weglengte van fononen verkorten. Om SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te bereiden, is het daarom noodzakelijk om het gehalte aan sinterhulpmiddelen zoveel mogelijk te verlagen, terwijl tegelijkertijd wordt voldaan aan de eisen van de sinterdichtheid. Probeer sinterhulpmiddelen te kiezen die moeilijk oplossen in het SiC-rooster.
*Thermische eigenschappen van SiC-keramiek wanneer verschillende sinterhulpmiddelen worden toegevoegd
Momenteel hebben warmgeperste SiC-keramiek, gesinterd met BeO als sinterhulpmiddel, de maximale thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur (270 W·m-1·K-1). BeO is echter een zeer giftig en kankerverwekkend materiaal en is niet geschikt voor brede toepassing in laboratoria of industriële omgevingen. Het laagste eutectische punt van het Y₂O₂-Al₂O₂-systeem is 1760 ℃, een veelgebruikt sinterhulpmiddel in de vloeibare fase voor SiC-keramiek. Omdat Al₂+ echter gemakkelijk oplost in het SiC-rooster, is de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek bij kamertemperatuur minder 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 zuurstofaffiniteit, wat het zuurstofgehalte van het SiC-rooster effectief kan verlagen. 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). Als we het sinterhulpmiddel van het Y2O3-Sc2O3-systeem als voorbeeld nemen, is de ionafwijking van Y3+ en Si4+ groot, en gaan beide niet in vaste oplossing. De oplosbaarheid van Sc in zuiver SiC bij 1800~2600 °C is klein, ongeveer (2~3) × 1017 atomen·cm-3.
② Hoge temperatuur warmtebehandeling
Hogetemperatuurwarmtebehandeling van SiC-keramiek is bevorderlijk voor het elimineren van roosterdefecten, dislocaties en restspanningen, bevordert de structurele transformatie van sommige amorfe materialen naar kristallen en verzwakt het fononverstrooiingseffect. Bovendien kan hogetemperatuurwarmtebehandeling de groei van SiC-korrels effectief bevorderen en uiteindelijk de thermische eigenschappen van het materiaal verbeteren. Na een hogetemperatuurwarmtebehandeling bij 1950 °C nam bijvoorbeeld de thermische diffusiecoëfficiënt van SiC-keramiek toe van 83,03 mm² s-1 tot 89,50 mm² s-1, en de thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur van 180,94 W·m-1 · K-1 tot 192,17 W·m-1 · K-1. Hogetemperatuurwarmtebehandeling verbetert effectief het deoxidatievermogen van het sinterhulpmiddel op het SiC-oppervlak en rooster en zorgt voor een hechtere verbinding tussen SiC-korrels. Na warmtebehandeling bij hoge temperatuur is de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek bij kamertemperatuur aanzienlijk verbeterd.
Plaatsingstijd: 24-10-2024