Obecnie,węglik krzemu (SiC)jest materiałem ceramicznym przewodzącym ciepło, który jest aktywnie badany w kraju i za granicą. Teoretyczna przewodność cieplna SiC jest bardzo wysoka, a niektóre formy krystaliczne mogą osiągnąć 270 W/mK, co jest już liderem wśród materiałów nieprzewodzących. Na przykład zastosowanie przewodności cieplnej SiC można zaobserwować w materiałach podłoża urządzeń półprzewodnikowych, materiałach ceramicznych o wysokiej przewodności cieplnej, grzejnikach i płytach grzewczych do przetwarzania półprzewodników, materiałach kapsułek do paliwa jądrowego i pierścieniach uszczelniających gaz do pomp sprężarkowych.
Zastosowaniewęglik krzemuw dziedzinie półprzewodników
Tarcze szlifierskie i osprzęt są ważnym wyposażeniem procesowym do produkcji płytek krzemowych w przemyśle półprzewodnikowym. Jeśli tarcza szlifierska jest wykonana z żeliwa lub stali węglowej, jej żywotność jest krótka, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest duży. Podczas obróbki płytek krzemowych, zwłaszcza podczas szlifowania lub polerowania z dużą prędkością, ze względu na zużycie i odkształcenie termiczne tarczy szlifierskiej, płaskość i równoległość płytki krzemowej są trudne do zagwarantowania. Tarcza szlifierska wykonana zceramika z węglika krzemucharakteryzuje się niskim zużyciem dzięki dużej twardości, 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, gdy produkowane są wafle krzemowe, muszą one zostać poddane obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze i często są transportowane przy użyciu uchwytów z węglika krzemu. Są odporne na ciepło i nieniszczące. Węgiel diamentopodobny (DLC) i inne powłoki mogą być nakładane na powierzchnię w celu zwiększenia wydajności, złagodzenia uszkodzeń wafli i zapobiegania rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń.
Ponadto, jako przedstawiciel materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej trzeciej generacji, materiały monokrystaliczne z węglika krzemu mają właściwości takie jak duża szerokość przerwy energetycznej (około 3 razy większa niż Si), wysoka przewodność cieplna (około 3,3 razy większa niż Si lub 10 razy większa niż GaAs), wysoka szybkość migracji nasycenia elektronów (około 2,5 razy większa niż Si) i wysokie pole elektryczne przebicia (około 10 razy większe niż Si lub 5 razy większe niż GaAs). Urządzenia SiC rekompensują wady tradycyjnych urządzeń z materiałów półprzewodnikowych w praktycznych zastosowaniach 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 węglika krzemu w dziedzinie półprzewodników dramatycznie wzrosło, a wysoka przewodność cieplna jest kluczowym wskaźnikiem jej zastosowania w komponentach urządzeń do produkcji półprzewodników. Dlatego też kluczowe jest wzmocnienie badań nad ceramiką węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej. Zmniejszenie zawartości tlenu w sieci, poprawa gęstości i rozsądne regulowanie rozkładu drugiej fazy w sieci to główne metody poprawy przewodności cieplnej ceramiki węglika krzemu.
Obecnie w moim kraju jest niewiele badań nad ceramiką z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej i nadal istnieje duża luka w porównaniu z poziomem światowym. Przyszłe kierunki badań obejmują:
●Wzmocnienie badań nad procesem przygotowania ceramicznego proszku węglika krzemu. Przygotowanie proszku węglika krzemu o wysokiej czystości i niskiej zawartości tlenu jest podstawą przygotowania ceramiki węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej;
● Wzmocnienie doboru materiałów wspomagających spiekanie i powiązanych badań teoretycznych;
●Wzmocnienie badań i rozwoju wysokiej klasy sprzętu do spiekania. Poprzez regulację procesu spiekania w celu uzyskania rozsądnej mikrostruktury, jest to warunek konieczny do uzyskania ceramiki 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 swobodnej drogi fononów. Przewodność cieplna SiC zostanie skutecznie poprawiona poprzez zmniejszenie porowatości i gęstości granic ziaren ceramiki SiC, poprawę czystości granic ziaren SiC, zmniejszenie zanieczyszczeń sieci SiC lub defektów sieci oraz zwiększenie nośnika przepływu ciepła w SiC. Obecnie optymalizacja rodzaju i zawartości środków wspomagających spiekanie oraz obróbka cieplna w wysokiej temperaturze to główne środki mające na celu poprawę przewodności cieplnej ceramiki SiC.
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 elementy Al lub O w środkach wspomagających spiekanie układu Al2O3 łatwo rozpuszczają się w sieci SiC, co powoduje powstawanie wakatów i defektów, co prowadzi do wzrostu częstotliwości rozpraszania fononów. Ponadto, jeśli zawartość środków wspomagających spiekanie jest niska, materiał jest trudny do spiekania i zagęszczania, podczas gdy wysoka zawartość środków wspomagających spiekanie doprowadzi do wzrostu zanieczyszczeń i defektów. Nadmierna ilość środków wspomagających spiekanie w fazie ciekłej może również hamować wzrost ziaren SiC i zmniejszać średnią drogę swobodną fononów. Dlatego też, aby przygotować ceramikę SiC o wysokiej przewodności cieplnej, należy w jak największym stopniu 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 ma maksymalną przewodność cieplną w temperaturze pokojowej (270 W·m-1·K-1). Jednakże BeO jest wysoce toksycznym i rakotwórczym materiałem i nie nadaje się do powszechnego stosowania w laboratoriach lub w przemyśle. Najniższy punkt eutektyczny układu Y2O3-Al2O3 wynosi 1760℃, co jest powszechnym środkiem wspomagającym spiekanie w fazie ciekłej dla ceramiki SiC. Jednakże, ponieważ Al3+ łatwo rozpuszcza się w sieci SiC, gdy ten układ jest stosowany jako środek wspomagający spiekanie, przewodność cieplna ceramiki SiC w temperaturze pokojowej wynosi mniej niż 200 W·m-1·K-1.
Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak Y, Sm, Sc, Gd i La, nie rozpuszczają się łatwo w sieci SiC i mają duże powinowactwo do tlenu, co może skutecznie zmniejszyć zawartość tlenu w sieci SiC. Dlatego system Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) jest powszechnym środkiem pomocniczym do spiekania w celu przygotowania ceramiki SiC o wysokiej przewodności cieplnej (>200 W·m-1·K-1). Biorąc jako przykład środek pomocniczy do spiekania systemu Y2O3-Sc2O3, wartość odchylenia jonów Y3+ i Si4+ jest duża, a oba nie ulegają roztworzeniu w stanie stałym. Rozpuszczalność Sc w czystym SiC w temperaturze 1800~2600℃ jest mała, około (2~3)×1017atomów·cm-3.
② Obróbka cieplna w wysokiej temperaturze
Wysokotemperaturowa obróbka cieplna ceramiki SiC sprzyja eliminacji defektów sieci, dyslokacji i naprężeń szczątkowych, promując strukturalną transformację niektórych materiałów amorficznych w kryształy i osłabiając efekt rozpraszania fononów. Ponadto, wysokotemperaturowa obróbka cieplna może skutecznie promować wzrost ziaren SiC i ostatecznie poprawić właściwości termiczne materiału. Na przykład, po wysokotemperaturowej obróbce cieplnej w 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 z 180,94 W·m-1·K-1 do 192,17 W·m-1·K-1. Wysokotemperaturowa obróbka cieplna skutecznie poprawia zdolność odtleniania środka wspomagającego spiekanie na powierzchni SiC i sieci oraz sprawia, że połączenie między ziarnami SiC jest ściślejsze. Po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze przewodność cieplna ceramiki SiC w temperaturze pokojowej uległa znacznej poprawie.
Czas publikacji: 24-paź-2024