Obecnie,węglik krzemu (SiC)SiC to ceramiczny materiał przewodzący ciepło, który jest aktywnie badany w kraju i za granicą. Teoretyczna przewodność cieplna SiC jest bardzo wysoka, a niektóre formy krystaliczne mogą osiągać 270 W/mK, co już teraz plasuje go na szczycie listy materiałów nieprzewodzących. Na przykład, przewodność cieplna SiC znajduje zastosowanie w materiałach podłożowych urządzeń półprzewodnikowych, materiałach ceramicznych o wysokiej przewodności cieplnej, elementach grzejnych i płytach grzejnych do przetwarzania półprzewodników, materiałach kapsuł do paliwa jądrowego oraz pierścieniach uszczelniających do pomp sprężarkowych.
Zastosowaniewęglik krzemuw dziedzinie półprzewodników
Tarcze szlifierskie i osprzęt stanowią ważne wyposażenie procesowe w produkcji płytek krzemowych w przemyśle półprzewodnikowym. Jeśli tarcza szlifierska jest wykonana z żeliwa lub stali węglowej, jej żywotność jest krótka, a współczynnik rozszerzalności cieplnej wysoki. Podczas obróbki płytek krzemowych, zwłaszcza podczas szlifowania lub polerowania z dużą prędkością, ze względu na zużycie i odkształcenia termiczne tarczy szlifierskiej, trudno jest zagwarantować płaskość i równoległość płytki krzemowej. Tarcza szlifierska wykonana zceramika z węglika krzemucharakteryzuje się niskim zużyciem ze względu na wysoką twardość, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest zasadniczo taki sam jak w przypadku płytek krzemowych, dzięki czemu można go szlifować i polerować z dużą prędkością.
Ponadto, podczas produkcji płytek krzemowych, poddawane są one wysokotemperaturowej obróbce cieplnej i często transportowane są za pomocą uchwytów z węglika krzemu. Są one odporne na wysokie temperatury i nieniszczące. Na powierzchnię można nałożyć powłokę węglową o strukturze diamentu (DLC) i inne powłoki, aby poprawić wydajność, zmniejszyć uszkodzenia płytki i zapobiec rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń.
Co więcej, jako reprezentatywne dla materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej trzeciej generacji, monokrystaliczne materiały z węglika krzemu charakteryzują się takimi właściwościami, jak szeroka przerwa energetyczna (około 3 razy większa niż w przypadku Si), wysoka przewodność cieplna (około 3,3 razy większa niż w przypadku Si lub 10 razy większa niż w przypadku GaAs), wysoka szybkość migracji elektronów w stanie nasycenia (około 2,5 razy większa niż w przypadku Si) oraz wysokie pole elektryczne przebicia (około 10 razy większe niż w przypadku Si lub 5 razy większe niż w przypadku GaAs). Elementy z węglika krzemu (SiC) kompensują wady tradycyjnych materiałów półprzewodnikowych w zastosowaniach praktycznych i stopniowo stają się głównym nurtem półprzewodników mocy.
Popyt na ceramikę z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej gwałtownie wzrósł
Wraz z ciągłym rozwojem nauki i technologii, zapotrzebowanie na zastosowanie ceramiki z węglika krzemu w przemyśle półprzewodnikowym gwałtownie wzrosło, a wysoka przewodność cieplna jest kluczowym wskaźnikiem jej zastosowania w elementach urządzeń do produkcji półprzewodników. Dlatego też kluczowe jest zintensyfikowanie badań nad ceramiką z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej. Zmniejszenie zawartości tlenu w sieci krystalicznej, poprawa gęstości oraz odpowiednia regulacja rozkładu drugiej fazy w sieci krystalicznej to główne metody poprawy przewodności cieplnej ceramiki z węglika krzemu.
Obecnie w moim kraju prowadzi się niewiele badań nad ceramiką z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej, a luka w porównaniu z poziomem światowym jest nadal duża. Przyszłe kierunki badań obejmują:
● Wzmocnienie badań nad procesem przygotowania ceramicznego proszku węglika krzemu. Przygotowanie proszku węglika krzemu o wysokiej czystości i niskiej zawartości tlenu stanowi podstawę do wytwarzania ceramiki węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej.
● Wzmocnienie doboru materiałów wspomagających spiekanie i powiązanych badań teoretycznych;
●Wzmocnienie badań i rozwoju wysokiej klasy urządzeń do spiekania. Regulacja procesu spiekania w celu uzyskania odpowiedniej mikrostruktury jest warunkiem koniecznym do uzyskania ceramiki z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej.
Środki mające na celu poprawę przewodności cieplnej ceramiki z węglika krzemu
Kluczem do poprawy przewodności cieplnej ceramiki SiC jest zmniejszenie częstotliwości rozpraszania fononów i zwiększenie średniej drogi swobodnej fononów. Przewodność cieplna SiC zostanie skutecznie poprawiona poprzez zmniejszenie porowatości i gęstości granic ziaren ceramiki SiC, poprawę czystości granic ziaren SiC, redukcję zanieczyszczeń sieci krystalicznej SiC lub defektów sieci krystalicznej oraz zwiększenie nośnika ciepła w SiC. Obecnie głównymi metodami poprawy przewodności cieplnej ceramiki SiC są optymalizacja rodzaju i zawartości środków wspomagających spiekanie oraz wysokotemperaturowa obróbka cieplna.
① Optymalizacja rodzaju i zawartości środków wspomagających spiekanie
Podczas przygotowywania ceramiki SiC o wysokiej przewodności cieplnej często dodaje się różne środki wspomagające spiekanie. Wśród nich, rodzaj i zawartość środków wspomagających spiekanie mają duży wpływ na przewodność cieplną ceramiki SiC. Na przykład, pierwiastki Al lub O w układzie Al₂O₂, środki wspomagające spiekanie, łatwo rozpuszczają się w sieci krystalicznej SiC, powodując powstawanie luk i defektów, co prowadzi do wzrostu częstotliwości rozpraszania fononów. Ponadto, przy niskiej zawartości środków wspomagających spiekanie, materiał jest trudny do spiekania i zagęszczania, podczas gdy wysoka zawartość środków wspomagających spiekanie prowadzi do wzrostu zanieczyszczeń i defektów. Nadmierna ilość środków wspomagających spiekanie w fazie ciekłej może również hamować wzrost ziaren SiC i skracać średnią drogę swobodną fononów. W związku z tym, aby przygotować ceramikę SiC o wysokiej przewodności cieplnej, należy maksymalnie ograniczyć zawartość środków wspomagających spiekanie, przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dotyczących gęstości spiekania, a także starać się wybierać środki wspomagające spiekanie, które trudno rozpuszczają się w sieci SiC.
*Właściwości termiczne ceramiki SiC po dodaniu różnych środków wspomagających spiekanie
Obecnie prasowana na gorąco ceramika SiC spiekana z BeO jako środkiem wspomagającym spiekanie charakteryzuje się maksymalną przewodnością cieplną w temperaturze pokojowej (270 W·m-1·K-1). BeO jest jednak materiałem wysoce toksycznym i rakotwórczym, dlatego nie nadaje się do powszechnego stosowania w laboratoriach ani w przemyśle. Najniższy punkt eutektyczny układu Y2O3-Al2O3 wynosi 1760°C i jest on powszechnie stosowanym środkiem wspomagającym spiekanie w fazie ciekłej dla ceramiki SiC. Ponieważ jednak Al3+ łatwo rozpuszcza się w sieci krystalicznej SiC, gdy układ ten jest stosowany jako środek wspomagający spiekanie, przewodność cieplna ceramiki SiC w temperaturze pokojowej jest mniejsza niż 200 W·m-1·K-1.
Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak Y, Sm, Sc, Gd i La, nie rozpuszczają się łatwo w sieci krystalicznej SiC i charakteryzują się wysokim powinowactwem do tlenu, co może skutecznie zmniejszać zawartość tlenu w sieci krystalicznej SiC. Dlatego układ Y2O3-RE2O3 (RE = Sm, Sc, Gd, La) jest powszechnym środkiem pomocniczym do spiekania, stosowanym do otrzymywania ceramiki SiC o wysokiej przewodności cieplnej (>200 W·m-1·K-1). Biorąc za przykład środek pomocniczy do spiekania Y2O3-Sc2O3, wartość odchylenia jonów Y3+ i Si4+ jest duża, a oba te pierwiastki nie ulegają rozpuszczeniu w roztworze stałym. Rozpuszczalność Sc w czystym SiC w temperaturze 1800–2600°C jest niewielka i wynosi około (2–3)×1017atomów·cm-3.
② Obróbka cieplna w wysokiej temperaturze
Wysokotemperaturowa obróbka cieplna ceramiki SiC sprzyja eliminacji defektów sieci krystalicznej, dyslokacji i naprężeń szczątkowych, promując transformację strukturalną niektórych materiałów amorficznych w kryształy oraz osłabiając efekt rozpraszania fononów. Ponadto, wysokotemperaturowa obróbka cieplna może skutecznie promować wzrost ziaren SiC i ostatecznie poprawiać właściwości termiczne materiału. Przykładowo, po wysokotemperaturowej obróbce cieplnej w temperaturze 1950°C, współczynnik dyfuzji cieplnej ceramiki SiC wzrósł z 83,03 mm²·s-1 do 89,50 mm²·s-1, a przewodność cieplna w temperaturze pokojowej wzrosła ze 180,94 W·m-1·K-1 do 192,17 W·m-1·K-1. Wysokotemperaturowa obróbka cieplna skutecznie poprawia zdolność do odtleniania środka wspomagającego spiekanie na powierzchni SiC i sieci krystalicznej, a także wzmacnia połączenia między ziarnami SiC. Po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze przewodność cieplna ceramiki SiC w temperaturze pokojowej uległa znacznej poprawie.
Czas publikacji: 24-10-2024