For tiden,silisiumkarbid (SiC)er et termisk ledende keramisk materiale som studeres aktivt i inn- og utland. Den teoretiske termiske konduktiviteten til SiC er svært høy, og noen krystallformer kan nå 270 W/mK, som allerede er en leder blant ikke-ledende materialer. For eksempel kan anvendelsen av SiC-termisk konduktivitet sees i substratmaterialene til halvlederkomponenter, keramiske materialer med høy termisk konduktivitet, varmeovner og varmeplater for halvlederbehandling, kapselmaterialer for kjernebrensel og gasstetningsringer for kompressorpumper.
Anvendelse avsilisiumkarbidinnen halvlederfeltet
Slipeskiver og -fester er viktig prosessutstyr for produksjon av silisiumskiver i halvlederindustrien. Hvis slipeskiven er laget av støpejern eller karbonstål, er levetiden kort og den termiske utvidelseskoeffisienten stor. Under prosessering av silisiumskiver, spesielt under høyhastighetssliping eller polering, er det vanskelig å garantere silisiumskivens flathet og parallellitet på grunn av slitasje og termisk deformasjon av slipeskiven. Slipeskiven er laget avsilisiumkarbidkeramikkhar lav slitasje på grunn av sin høye hardhet, og dens termiske ekspansjonskoeffisient er i utgangspunktet den samme som for silisiumskiver, slik at den kan slipes og poleres med høy hastighet.
I tillegg, når silisiumskiver produseres, må de gjennomgå høytemperaturvarmebehandling og transporteres ofte ved hjelp av silisiumkarbidbeslag. De er varmebestandige og ikke-destruktive. Diamantlignende karbon (DLC) og andre belegg kan påføres overflaten for å forbedre ytelsen, lindre skader på skivene og forhindre spredning av forurensning.
Videre, som en representant for tredje generasjons halvledermaterialer med bredt båndgap, har silisiumkarbid-enkrystallmaterialer egenskaper som stor båndgapbredde (omtrent 3 ganger så stor som Si), høy termisk ledningsevne (omtrent 3,3 ganger så stor som Si eller 10 ganger så stor som GaAs), høy elektronmetningsmigrasjonshastighet (omtrent 2,5 ganger så stor som Si) og høyt elektrisk felt med gjennombrudd (omtrent 10 ganger så stor som Si eller 5 ganger så stor som GaAs). SiC-komponenter kompenserer for manglene ved tradisjonelle halvledermaterialekomponenter i praktiske anvendelser og er gradvis i ferd med å bli hovedstrømmen av krafthalvledere.
Etterspørselen etter silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne har økt dramatisk
Med den kontinuerlige utviklingen av vitenskap og teknologi har etterspørselen etter bruk av silisiumkarbidkeramikk innen halvlederfeltet økt dramatisk, og høy varmeledningsevne er en nøkkelindikator for bruk i komponenter til halvlederproduksjon. Derfor er det avgjørende å styrke forskningen på silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne. Å redusere oksygeninnholdet i gitteret, forbedre tettheten og regulere fordelingen av den andre fasen i gitteret på en rimelig måte er de viktigste metodene for å forbedre varmeledningsevnen til silisiumkarbidkeramikk.
For tiden finnes det få studier på silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne i landet mitt, og det er fortsatt et stort gap sammenlignet med verdensnivået. Fremtidige forskningsretninger inkluderer:
● Styrke forskningen på fremstillingsprosessen for silisiumkarbidkeramisk pulver. Fremstillingen av silisiumkarbidpulver med høy renhet og lavt oksygeninnhold er grunnlaget for fremstilling av silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne;
● Styrke utvalget av sintringshjelpemidler og relatert teoretisk forskning;
● Styrke forskningen og utviklingen av avansert sintringsutstyr. Ved å regulere sintringsprosessen for å oppnå en rimelig mikrostruktur, er det en nødvendig betingelse for å oppnå silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne.
Tiltak for å forbedre varmeledningsevnen til silisiumkarbidkeramikk
Nøkkelen til å forbedre den termiske ledningsevnen til SiC-keramikk er å redusere fononspredningsfrekvensen og øke fononets gjennomsnittlige frie veilengde. Den termiske ledningsevnen til SiC vil bli effektivt forbedret ved å redusere porøsiteten og korngrensetettheten til SiC-keramikk, forbedre renheten til SiC-korngrensene, redusere SiC-gitterurenheter eller gitterdefekter, og øke varmeoverføringsbæreren i SiC. For tiden er optimalisering av typen og innholdet av sintringshjelpemidler og høytemperaturvarmebehandling de viktigste tiltakene for å forbedre den termiske ledningsevnen til SiC-keramikk.
① Optimalisering av type og innhold av sintringshjelpemidler
Ulike sintringshjelpemidler tilsettes ofte når man fremstiller SiC-keramikk med høy varmeledningsevne. Blant disse har typen og innholdet av sintringshjelpemidler stor innflytelse på den varmeledningsevnen til SiC-keramikk. For eksempel løses Al- eller O-elementene i Al2O3-systemets sintringshjelpemidler lett opp i SiC-gitteret, noe som resulterer i vakanser og defekter, noe som fører til en økning i fononspredningsfrekvensen. I tillegg, hvis innholdet av sintringshjelpemidler er lavt, er materialet vanskelig å sintre og fortette, mens et høyt innhold av sintringshjelpemidler vil føre til en økning i urenheter og defekter. For mye sintringshjelpemidler i flytende fase kan også hemme veksten av SiC-korn og redusere den gjennomsnittlige frie veien for fononer. For å fremstille SiC-keramikk med høy varmeledningsevne er det derfor nødvendig å redusere innholdet av sintringshjelpemidler så mye som mulig samtidig som kravene til sintringstetthet oppfylles, og prøve å velge sintringshjelpemidler som er vanskelige å løse opp i SiC-gitteret.
*Termiske egenskaper til SiC-keramikk når forskjellige sintringshjelpemidler tilsettes
For tiden har varmpresset SiC-keramikk sintret med BeO som sintringshjelpemiddel maksimal varmeledningsevne ved romtemperatur (270 W·m⁻¹·K⁻¹). BeO er imidlertid et svært giftig og kreftfremkallende materiale, og er ikke egnet for utbredt bruk i laboratorier eller industrielle felt. Det laveste eutektiske punktet for Y₂O₃-Al₂O₃-systemet er 1760 ℃, som er et vanlig flytende fase-sintringshjelpemiddel for SiC-keramikk. Siden Al₃+ lett løses opp i SiC-gitteret, er imidlertid varmeledningsevnen ved romtemperatur for SiC-keramikk mindre enn 200 W·m⁻¹·K⁻¹ når dette systemet brukes som sintringshjelpemiddel.
Sjeldne jordartsmetaller som Y, Sm, Sc, Gd og La er ikke lett løselige i SiC-gitteret og har høy oksygenaffinitet, noe som effektivt kan redusere oksygeninnholdet i SiC-gitteret. Derfor er Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)-systemet et vanlig sintringshjelpemiddel for å fremstille SiC-keramikk med høy varmeledningsevne (>200 W·m⁻¹·K⁻¹). Hvis vi tar Y2O3-Sc2O3-systemets sintringshjelpemiddel som et eksempel, er ionavviksverdien for Y3+ og Si4+ stor, og de to gjennomgår ikke fast løsning. Løseligheten av Sc i ren SiC ved 1800~2600 ℃ er liten, omtrent (2~3) × 10¹⁵ atomer·cm⁻³.
② Høytemperatur varmebehandling
Høytemperaturvarmebehandling av SiC-keramikk bidrar til å eliminere gitterdefekter, forskyvninger og restspenninger, fremme den strukturelle transformasjonen av noen amorfe materialer til krystaller og svekke fononspredningseffekten. I tillegg kan høytemperaturvarmebehandling effektivt fremme veksten av SiC-korn og til slutt forbedre materialets termiske egenskaper. For eksempel, etter høytemperaturvarmebehandling ved 1950 °C, økte den termiske diffusjonskoeffisienten til SiC-keramikk fra 83,03 mm²·s⁻¹ til 89,50 mm²·s⁻¹, og romtemperaturvarmeledningsevnen økte fra 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ til 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Høytemperaturvarmebehandling forbedrer effektivt deoksidasjonsevnen til sintringshjelpemidlet på SiC-overflaten og gitteret, og gjør forbindelsen mellom SiC-kornene tettere. Etter høytemperaturvarmebehandling har romtemperaturvarmeledningsevnen til SiC-keramikk blitt betydelig forbedret.
Publisert: 24. oktober 2024