Atualmente,carboneto de silício (SiC)O SiC é um material cerâmico termicamente condutor que vem sendo ativamente estudado no país e no exterior. A condutividade térmica teórica do SiC é muito alta, e algumas formas cristalinas podem atingir 270 W/mK, o que já o coloca na liderança entre os materiais não condutores. Por exemplo, a aplicação da condutividade térmica do SiC pode ser observada em materiais de substrato de dispositivos semicondutores, materiais cerâmicos de alta condutividade térmica, aquecedores e placas de aquecimento para processamento de semicondutores, materiais de cápsulas para combustível nuclear e anéis de vedação de gás para bombas compressoras.
Aplicação decarboneto de silíciono campo dos semicondutores
Discos de moagem e fixadores são equipamentos de processo importantes para a produção de wafers de silício na indústria de semicondutores. Se o disco de moagem for feito de ferro fundido ou aço carbono, sua vida útil será curta e seu coeficiente de expansão térmica será alto. Durante o processamento de wafers de silício, especialmente durante a retificação ou polimento em alta velocidade, devido ao desgaste e à deformação térmica do disco de moagem, a planicidade e o paralelismo do wafer de silício são difíceis de garantir. O disco de moagem é feito decerâmicas de carboneto de silíciotem baixo desgaste devido à sua alta dureza e seu coeficiente de expansão térmica é basicamente o mesmo que o dos wafers de silício, podendo ser retificado e polido em alta velocidade.
Além disso, quando wafers de silício são produzidos, eles precisam passar por tratamento térmico de alta temperatura e frequentemente são transportados em fixações de carboneto de silício. Eles são resistentes ao calor e não destrutivos. Carbono tipo diamante (DLC) e outros revestimentos podem ser aplicados na superfície para melhorar o desempenho, aliviar danos aos wafers e evitar a propagação de contaminação.
Além disso, como representantes da terceira geração de materiais semicondutores de banda larga, os materiais monocristais de carboneto de silício apresentam propriedades como grande largura de banda (cerca de 3 vezes a do Si), alta condutividade térmica (cerca de 3,3 vezes a do Si ou 10 vezes a do GaAs), alta taxa de migração de saturação de elétrons (cerca de 2,5 vezes a do Si) e alto campo elétrico de ruptura (cerca de 10 vezes a do Si ou 5 vezes a do GaAs). Os dispositivos de SiC compensam as deficiências dos dispositivos de materiais semicondutores tradicionais em aplicações práticas e estão gradualmente se tornando a principal fonte de semicondutores de potência.
A demanda por cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica aumentou drasticamente
Com o desenvolvimento contínuo da ciência e da tecnologia, a demanda pela aplicação de cerâmicas de carboneto de silício na área de semicondutores aumentou drasticamente, e a alta condutividade térmica é um indicador-chave para sua aplicação em componentes de equipamentos de fabricação de semicondutores. Portanto, é crucial fortalecer a pesquisa sobre cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica. Reduzir o teor de oxigênio na rede, melhorar a densidade e regular razoavelmente a distribuição da segunda fase na rede são os principais métodos para melhorar a condutividade térmica das cerâmicas de carboneto de silício.
Atualmente, existem poucos estudos sobre cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica em meu país, e ainda há uma grande lacuna em relação ao nível mundial. Direções futuras de pesquisa incluem:
●Fortalecer a pesquisa do processo de preparação de pó cerâmico de carboneto de silício. A preparação de pó cerâmico de carboneto de silício de alta pureza e baixo teor de oxigênio é a base para a preparação de cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica;
● Fortalecer a seleção de auxiliares de sinterização e pesquisas teóricas relacionadas;
●Fortalecer a pesquisa e o desenvolvimento de equipamentos de sinterização de ponta. A regulação do processo de sinterização para obter uma microestrutura razoável é uma condição necessária para a obtenção de cerâmicas de carboneto de silício com alta condutividade térmica.
Medidas para melhorar a condutividade térmica de cerâmicas de carboneto de silício
A chave para melhorar a condutividade térmica das cerâmicas de SiC é reduzir a frequência de espalhamento de fônons e aumentar o caminho livre médio dos fônons. A condutividade térmica do SiC será efetivamente melhorada pela redução da porosidade e da densidade de contorno de grão das cerâmicas de SiC, melhorando a pureza dos contornos de grão do SiC, reduzindo as impurezas ou defeitos de rede do SiC e aumentando o transportador de fluxo de calor no SiC. Atualmente, a otimização do tipo e do conteúdo de auxiliares de sinterização e o tratamento térmico de alta temperatura são as principais medidas para melhorar a condutividade térmica das cerâmicas de SiC.
① Otimização do tipo e conteúdo dos auxiliares de sinterização
Vários auxiliares de sinterização são frequentemente adicionados na preparação de cerâmicas de SiC de alta condutividade térmica. Entre eles, o tipo e o teor dos auxiliares de sinterização têm grande influência na condutividade térmica das cerâmicas de SiC. Por exemplo, elementos Al ou O nos auxiliares de sinterização do sistema Al2O3 são facilmente dissolvidos na rede de SiC, resultando em vacâncias e defeitos, o que leva a um aumento na frequência de espalhamento de fônons. Além disso, se o teor de auxiliares de sinterização for baixo, o material será difícil de sinterizar e densificar, enquanto um alto teor de auxiliares de sinterização levará a um aumento de impurezas e defeitos. O excesso de auxiliares de sinterização em fase líquida também pode inibir o crescimento de grãos de SiC e reduzir o caminho livre médio dos fônons. Portanto, para preparar cerâmicas de SiC de alta condutividade térmica, é necessário reduzir o conteúdo de auxiliares de sinterização o máximo possível, atendendo aos requisitos de densidade de sinterização, e tentar escolher auxiliares de sinterização que sejam difíceis de dissolver na rede de SiC.
*Propriedades térmicas das cerâmicas de SiC quando são adicionados diferentes auxiliares de sinterização
Atualmente, cerâmicas de SiC prensadas a quente sinterizadas com BeO como auxiliar de sinterização apresentam a condutividade térmica máxima à temperatura ambiente (270 W·m-1·K-1). No entanto, o BeO é um material altamente tóxico e cancerígeno, não sendo adequado para ampla aplicação em laboratórios ou indústrias. O ponto eutético mais baixo do sistema Y2O3-Al2O3 é 1760 °C, sendo um auxiliar de sinterização em fase líquida comum para cerâmicas de SiC. No entanto, como o Al3+ é facilmente dissolvido na estrutura do SiC, quando este sistema é utilizado como auxiliar de sinterização, a condutividade térmica à temperatura ambiente das cerâmicas de SiC é inferior a 200 W·m-1·K-1.
Elementos de terras raras como Y, Sm, Sc, Gd e La não são facilmente solúveis na rede de SiC e possuem alta afinidade por oxigênio, o que pode efetivamente reduzir o teor de oxigênio da rede de SiC. Portanto, o sistema Y2O3-RE2O3 (RE = Sm, Sc, Gd, La) é um auxiliar de sinterização comum para a preparação de cerâmicas de SiC de alta condutividade térmica (> 200 W·m-1·K-1). Tomando o auxiliar de sinterização do sistema Y2O3-Sc2O3 como exemplo, o valor de desvio iônico de Y3+ e Si4+ é grande, e os dois não sofrem dissolução sólida. A solubilidade de Sc em SiC puro a 1800~2600°C é pequena, cerca de (2~3)×1017átomos·cm-3.
② Tratamento térmico de alta temperatura
O tratamento térmico em alta temperatura de cerâmicas de SiC é propício à eliminação de defeitos de rede, discordâncias e tensões residuais, promovendo a transformação estrutural de alguns materiais amorfos em cristais e enfraquecendo o efeito de espalhamento de fônons. Além disso, o tratamento térmico em alta temperatura pode efetivamente promover o crescimento de grãos de SiC e, por fim, melhorar as propriedades térmicas do material. Por exemplo, após o tratamento térmico em alta temperatura a 1950 °C, o coeficiente de difusão térmica da cerâmica de SiC aumentou de 83,03 mm²·s-1 para 89,50 mm²·s-1, e a condutividade térmica à temperatura ambiente aumentou de 180,94 W·m·1·K-1 para 192,17 W·m·1·K-1. O tratamento térmico em alta temperatura melhora efetivamente a capacidade de desoxidação do auxiliar de sinterização na superfície e na rede de SiC, e torna a conexão entre os grãos de SiC mais firme. Após o tratamento térmico de alta temperatura, a condutividade térmica à temperatura ambiente da cerâmica de SiC foi significativamente melhorada.
Horário da postagem: 24 de outubro de 2024