Trenutno,silicijev karbid (SiC)je toplotno prevodni keramični material, ki se aktivno preučuje doma in v tujini. Teoretična toplotna prevodnost SiC je zelo visoka, nekatere kristalne oblike pa lahko dosežejo 270 W/mK, kar je že vodilno med neprevodnimi materiali. Na primer, uporabo toplotne prevodnosti SiC lahko vidimo v substratnih materialih polprevodniških naprav, keramičnih materialih z visoko toplotno prevodnostjo, grelnikih in grelnih ploščah za obdelavo polprevodnikov, materialih kapsul za jedrsko gorivo in tesnilnih obročih za plinske kompresorske črpalke.
Uporabasilicijev karbidna področju polprevodnikov
Brusilni diski in vpenjala so pomembna procesna oprema za proizvodnjo silicijevih rezin v polprevodniški industriji. Če je brusilni disk izdelan iz litega železa ali ogljikovega jekla, je njegova življenjska doba kratka, koeficient toplotnega raztezanja pa velik. Med obdelavo silicijevih rezin, zlasti med hitrim brušenjem ali poliranjem, je zaradi obrabe in toplotne deformacije brusilnega diska težko zagotoviti ravnost in vzporednost silicijeve rezine. Brusilni disk, izdelan iz ...silicijev karbid keramikaZaradi visoke trdote se nizko obrablja, njegov koeficient toplotnega raztezanja pa je v osnovi enak kot pri silicijevih rezinah, zato ga je mogoče brusiti in polirati z veliko hitrostjo.
Poleg tega je treba pri izdelavi silicijevih rezin le-te toplotno obdelati pri visokih temperaturah in se pogosto transportirajo s pomočjo silicijevega karbidnega vpenjala. So toplotno odporne in nedestruktivne. Na površino se lahko nanesejo diamantu podoben ogljik (DLC) in drugi premazi za izboljšanje zmogljivosti, zmanjšanje poškodb rezin in preprečevanje širjenja kontaminacije.
Poleg tega imajo monokristalni materiali silicijevega karbida kot predstavniki polprevodniških materialov s široko pasovno reži tretje generacije lastnosti, kot so velika širina pasovne reže (približno 3-krat večja od Si), visoka toplotna prevodnost (približno 3,3-krat večja od Si ali 10-krat večja od GaAs), visoka stopnja migracije elektronov v nasičenosti (približno 2,5-krat večja od Si) in visoko prebojno električno polje (približno 10-krat večja od Si ali 5-krat večja od GaAs). Naprave SiC v praktični uporabi nadomeščajo pomanjkljivosti tradicionalnih polprevodniških materialov in postopoma postajajo glavni del močnostnih polprevodnikov.
Povpraševanje po silicijevem karbidnem keramičnem materialu z visoko toplotno prevodnostjo se je dramatično povečalo
Z nenehnim razvojem znanosti in tehnologije se je povpraševanje po uporabi silicijevega karbida v polprevodniškem področju močno povečalo, visoka toplotna prevodnost pa je ključni kazalnik za njeno uporabo v komponentah opreme za proizvodnjo polprevodnikov. Zato je ključnega pomena okrepiti raziskave silicijevega karbida z visoko toplotno prevodnostjo. Zmanjšanje vsebnosti kisika v mreži, izboljšanje gostote in razumno uravnavanje porazdelitve druge faze v mreži so glavne metode za izboljšanje toplotne prevodnosti silicijevega karbida.
Trenutno je v moji državi malo študij o silicijev-karbidni keramiki z visoko toplotno prevodnostjo in še vedno obstaja velika vrzel v primerjavi s svetovno ravnjo. Prihodnje raziskovalne smeri vključujejo:
● Okrepiti raziskave postopka priprave keramičnega prahu silicijevega karbida. Priprava visoko čistega prahu silicijevega karbida z nizko vsebnostjo kisika je osnova za pripravo silicijevega karbidnega keramike z visoko toplotno prevodnostjo;
● Okrepiti izbiro sintralnih pripomočkov in s tem povezane teoretične raziskave;
● Okrepiti raziskave in razvoj vrhunske opreme za sintranje. Z regulacijo procesa sintranja za doseganje ustrezne mikrostrukture je to nujen pogoj za pridobitev silicijevega karbidnega keramičnega materiala z visoko toplotno prevodnostjo.
Ukrepi za izboljšanje toplotne prevodnosti silicijevega karbida
Ključ do izboljšanja toplotne prevodnosti SiC keramike je zmanjšanje frekvence sipanja fononov in povečanje povprečne proste poti fononov. Toplotna prevodnost SiC se bo učinkovito izboljšala z zmanjšanjem poroznosti in gostote mej zrn SiC keramike, izboljšanjem čistosti mej zrn SiC, zmanjšanjem nečistoč ali napak v kristalni mreži SiC in povečanjem nosilca prenosa toplotnega toka v SiC. Trenutno sta glavna ukrepa za izboljšanje toplotne prevodnosti SiC keramike optimizacija vrste in vsebnosti pomožnih snovi za sintranje ter visokotemperaturna toplotna obdelava.
① Optimizacija vrste in vsebine pomožnih snovi za sintranje
Pri pripravi SiC keramike z visoko toplotno prevodnostjo se pogosto dodajajo različna sintralna sredstva. Med njimi imata vrsta in vsebnost sintralnih sredstev velik vpliv na toplotno prevodnost SiC keramike. Na primer, elementi Al ali O v sintralnih dodatkih sistema Al2O3 se zlahka raztopijo v SiC mreži, kar povzroči proste prostore in napake, kar vodi do povečanja frekvence sipanja fononov. Poleg tega je material težko sintrati in zgostiti, če je vsebnost sintralnih dodatkov nizka, medtem ko visoka vsebnost sintralnih dodatkov povzroči povečanje nečistoč in napak. Prekomerna količina sintralnih dodatkov v tekoči fazi lahko zavira tudi rast SiC zrn in zmanjša povprečno prosto pot fononov. Zato je za pripravo SiC keramike z visoko toplotno prevodnostjo treba čim bolj zmanjšati vsebnost sintralnih dodatkov, hkrati pa izpolniti zahteve glede gostote sintranja, in poskušati izbrati sintralna sredstva, ki se težko raztopijo v SiC mreži.
*Toplotne lastnosti SiC keramike ob dodajanju različnih sintralnih dodatkov
Trenutno ima vroče stisnjena SiC keramika, sintrana z BeO kot pomožnim sredstvom za sintranje, največjo toplotno prevodnost pri sobni temperaturi (270 W·m-1·K-1). Vendar je BeO zelo strupen in rakotvoren material, zato ni primeren za široko uporabo v laboratorijih ali industriji. Najnižja evtektična točka sistema Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, kar je običajno tekočefazno pomožno sredstvo za sintranje SiC keramike. Ker pa se Al3+ zlahka raztopi v mreži SiC, je pri uporabi tega sistema kot pomožnega sredstva za sintranje toplotna prevodnost SiC keramike pri sobni temperaturi manjša od 200 W·m-1·K-1.
Redkozemeljski elementi, kot so Y, Sm, Sc, Gd in La, niso lahko topni v kristalni mreži SiC in imajo visoko afiniteto do kisika, kar lahko učinkovito zmanjša vsebnost kisika v kristalni mreži SiC. Zato je sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) pogosto pomožno sredstvo za sintranje za pripravo SiC keramike z visoko toplotno prevodnostjo (>200 W·m-1·K-1). Če vzamemo za primer pomožno sredstvo za sintranje sistema Y2O3-Sc2O3, je vrednost odstopanja ionov Y3+ in Si4+ velika in oba ne prehajata v trdno raztopino. Topnost Sc v čistem SiC pri 1800~2600 ℃ je majhna, približno (2~3) × 1017 atomov·cm-3.
② Visokotemperaturna toplotna obdelava
Visokotemperaturna toplotna obdelava SiC keramike prispeva k odpravljanju napak v kristalni mreži, dislokacij in preostalih napetosti, spodbuja strukturno transformacijo nekaterih amorfnih materialov v kristale in slabi učinek sipanja fononov. Poleg tega lahko visokotemperaturna toplotna obdelava učinkovito spodbuja rast zrn SiC in na koncu izboljša toplotne lastnosti materiala. Na primer, po visokotemperaturni toplotni obdelavi pri 1950 °C se je koeficient toplotne difuzije SiC keramike povečal z 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1, toplotna prevodnost pri sobni temperaturi pa se je povečala s 180,94 W·m-1·K-1 na 192,17 W·m-1·K-1. Visokotemperaturna toplotna obdelava učinkovito izboljša sposobnost deoksidacije sintralnega dodatka na površini in v kristalni mreži SiC ter okrepi povezavo med zrni SiC. Po visokotemperaturni toplotni obdelavi se je toplotna prevodnost SiC keramike pri sobni temperaturi znatno izboljšala.
Čas objave: 24. oktober 2024