În prezent,carbură de siliciu (SiC)este un material ceramic termoconductor, studiat activ atât în țară, cât și în străinătate. Conductivitatea termică teoretică a SiC este foarte mare, iar unele forme cristaline pot atinge 270W/mK, ceea ce îl plasează deja pe primul loc printre materialele neconductoare. De exemplu, aplicarea conductivității termice a SiC poate fi observată în materialele substrat ale dispozitivelor semiconductoare, materiale ceramice cu conductivitate termică ridicată, încălzitoare și plăci de încălzire pentru procesarea semiconductorilor, materiale capsule pentru combustibil nuclear și inele de etanșare a gazelor pentru pompele compresoarelor.
Aplicareacarbură de siliciuîn domeniul semiconductorilor
Discurile și dispozitivele de șlefuire sunt echipamente de proces importante pentru producția de napolitane de siliciu în industria semiconductorilor. Dacă discul de șlefuire este fabricat din fontă sau oțel carbon, durata sa de viață este scurtă, iar coeficientul său de dilatare termică este mare. În timpul procesării napolitanelor de siliciu, în special în timpul șlefuirii sau lustruirii de mare viteză, din cauza uzurii și deformării termice a discului de șlefuire, planeitatea și paralelismul napolitanei de siliciu sunt dificil de garantat. Discul de șlefuire fabricat din...ceramică din carbură de siliciuare o uzură redusă datorită durității sale ridicate, iar coeficientul său de dilatare termică este practic același cu cel al napolitanelor de siliciu, astfel încât poate fi șlefuit și lustruit la viteză mare.
În plus, atunci când sunt produse napolitane de siliciu, acestea trebuie să fie supuse unui tratament termic la temperaturi ridicate și sunt adesea transportate folosind dispozitive de fixare din carbură de siliciu. Sunt rezistente la căldură și nedistructive. Carbonul de tip diamant (DLC) și alte acoperiri pot fi aplicate pe suprafață pentru a îmbunătăți performanța, a atenua deteriorarea napolitanei și a preveni răspândirea contaminării.
În plus, ca reprezentanți ai materialelor semiconductoare cu bandă interzisă largă de a treia generație, materialele monocristaline din carbură de siliciu au proprietăți precum o lățime mare a benzii interzise (aproximativ 3 ori mai mare decât cea a Si), o conductivitate termică ridicată (aproximativ 3,3 ori mai mare decât cea a Si sau 10 ori mai mare decât cea a GaAs), o rată mare de migrare a saturației electronilor (aproximativ 2,5 ori mai mare decât cea a Si) și un câmp electric de străpungere ridicat (aproximativ 10 ori mai mare decât cea a Si sau 5 ori mai mare decât cea a GaAs). Dispozitivele SiC compensează defectele dispozitivelor tradiționale din materiale semiconductoare în aplicațiile practice și devin treptat principalul material semiconductor de putere.
Cererea de ceramică de carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată a crescut dramatic
Odată cu dezvoltarea continuă a științei și tehnologiei, cererea pentru aplicarea ceramicii din carbură de siliciu în domeniul semiconductorilor a crescut dramatic, iar conductivitatea termică ridicată este un indicator cheie pentru aplicarea sa în componentele echipamentelor de fabricație a semiconductorilor. Prin urmare, este crucial să se consolideze cercetarea privind ceramicile din carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată. Reducerea conținutului de oxigen din rețea, îmbunătățirea densității și reglarea rezonabilă a distribuției celei de-a doua faze în rețea sunt principalele metode de îmbunătățire a conductivității termice a ceramicii din carbură de siliciu.
În prezent, există puține studii privind ceramicile de carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată în țara mea, existând încă un decalaj mare în comparație cu nivelul mondial. Direcțiile viitoare de cercetare includ:
● Consolidarea cercetării procesului de preparare a pulberii ceramice de carbură de siliciu. Prepararea pulberii de carbură de siliciu de înaltă puritate și conținut scăzut de oxigen este baza pentru prepararea ceramicii de carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată;
● Consolidarea selecției de adjuvanți de sinterizare și a cercetărilor teoretice aferente;
● Consolidarea cercetării și dezvoltării echipamentelor de sinterizare de înaltă performanță. Prin reglarea procesului de sinterizare pentru a obține o microstructură rezonabilă, obținerea de ceramică din carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată este o condiție necesară.
Măsuri pentru îmbunătățirea conductivității termice a ceramicii din carbură de siliciu
Cheia îmbunătățirii conductivității termice a ceramicii SiC este reducerea frecvenței de împrăștiere a fononicilor și creșterea drumului liber mediu al fononicilor. Conductivitatea termică a SiC va fi îmbunătățită eficient prin reducerea porozității și a densității limitelor granulare ale ceramicii SiC, îmbunătățirea purității limitelor granulare ale SiC, reducerea impurităților sau defectelor de rețea SiC și creșterea purtătorului de transmisie a fluxului de căldură în SiC. În prezent, optimizarea tipului și conținutului de adjuvanți de sinterizare și tratamentul termic la temperatură înaltă sunt principalele măsuri pentru îmbunătățirea conductivității termice a ceramicii SiC.
① Optimizarea tipului și conținutului de adjuvanți de sinterizare
La prepararea ceramicii SiC cu conductivitate termică ridicată se adaugă adesea diverse materiale auxiliare de sinterizare. Printre acestea, tipul și conținutul de materiale auxiliare de sinterizare au o influență mare asupra conductivității termice a ceramicii SiC. De exemplu, elementele de Al sau O din sistemul de materiale auxiliare de sinterizare Al2O3 se dizolvă ușor în rețeaua SiC, rezultând în goluri și defecte, ceea ce duce la o creștere a frecvenței de împrăștiere a fonoanelor. În plus, dacă conținutul de materiale auxiliare de sinterizare este scăzut, materialul este dificil de sinterizat și densificat, în timp ce un conținut ridicat de materiale auxiliare de sinterizare va duce la o creștere a impurităților și defectelor. De asemenea, excesul de materiale auxiliare de sinterizare în fază lichidă poate inhiba creșterea granulelor de SiC și poate reduce drumul liber mediu al fonoanelor. Prin urmare, pentru a prepara ceramici SiC cu conductivitate termică ridicată, este necesar să se reducă cât mai mult posibil conținutul de materiale auxiliare de sinterizare, îndeplinind în același timp cerințele privind densitatea de sinterizare și încercând să se aleagă materiale auxiliare de sinterizare care sunt dificil de dizolvat în rețeaua SiC.
Proprietățile termice ale ceramicii SiC atunci când se adaugă diferiți adjuvanți de sinterizare
În prezent, ceramica SiC presată la cald și sinterizată cu BeO ca adjuvant de sinterizare are conductivitatea termică maximă la temperatura camerei (270W·m-1·K-1). Cu toate acestea, BeO este un material extrem de toxic și cancerigen și nu este potrivit pentru aplicații pe scară largă în laboratoare sau domenii industriale. Punctul eutectic cel mai scăzut al sistemului Y2O3-Al2O3 este de 1760℃, acesta fiind un adjuvant comun de sinterizare în fază lichidă pentru ceramica SiC. Totuși, deoarece Al3+ se dizolvă ușor în rețeaua SiC, atunci când acest sistem este utilizat ca adjuvant de sinterizare, conductivitatea termică la temperatura camerei a ceramicii SiC este mai mică de 200W·m-1·K-1.
Elementele de pământuri rare precum Y, Sm, Sc, Gd și La nu sunt ușor solubile în rețeaua de SiC și au o afinitate ridicată pentru oxigen, ceea ce poate reduce eficient conținutul de oxigen al rețelei de SiC. Prin urmare, sistemul Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) este un adjuvant de sinterizare comun pentru prepararea ceramicii SiC cu conductivitate termică ridicată (>200W·m-1·K-1). Luând ca exemplu adjuvantul de sinterizare al sistemului Y2O3-Sc2O3, valoarea deviației ionilor pentru Y3+ și Si4+ este mare, iar cele două nu intră în soluție solidă. Solubilitatea Sc în SiC pur la 1800~2600℃ este mică, de aproximativ (2~3)×1017atomi·cm-3.
② Tratament termic la temperatură înaltă
Tratamentul termic la temperatură înaltă al ceramicii de SiC este propice eliminării defectelor de rețea, dislocațiilor și tensiunilor reziduale, promovând transformarea structurală a unor materiale amorfe în cristale și slăbind efectul de împrăștiere a fononicilor. În plus, tratamentul termic la temperatură înaltă poate promova eficient creșterea granulelor de SiC și, în cele din urmă, poate îmbunătăți proprietățile termice ale materialului. De exemplu, după tratamentul termic la temperatură înaltă la 1950°C, coeficientul de difuzie termică al ceramicii de SiC a crescut de la 83,03 mm2·s-1 la 89,50 mm2·s-1, iar conductivitatea termică la temperatura camerei a crescut de la 180,94 W·m-1·K-1 la 192,17 W·m-1·K-1. Tratamentul termic la temperatură înaltă îmbunătățește eficient capacitatea de dezoxidare a adjuvantului de sinterizare pe suprafața și rețeaua de SiC și face ca legătura dintre granulele de SiC să fie mai strânsă. După tratamentul termic la temperatură înaltă, conductivitatea termică la temperatura camerei a ceramicii de SiC a fost îmbunătățită semnificativ.
Data publicării: 24 oct. 2024