För närvarande,kiselkarbid (SiC)är ett värmeledande keramiskt material som aktivt studeras hemma och utomlands. Den teoretiska värmeledningsförmågan hos SiC är mycket hög, och vissa kristallformer kan nå 270 W/mK, vilket redan är ledande bland icke-ledande material. Till exempel kan tillämpningen av SiC-värmeledningsförmåga ses i substratmaterial i halvledarkomponenter, keramiska material med hög värmeledningsförmåga, värmare och värmeplattor för halvledarbearbetning, kapselmaterial för kärnbränsle och gastätningsringar för kompressorpumpar.
Tillämpning avkiselkarbidinom halvledarområdet
Slipskivor och fixturer är viktig processutrustning för produktion av kiselskivor inom halvledarindustrin. Om slipskivan är tillverkad av gjutjärn eller kolstål är dess livslängd kort och dess värmeutvidgningskoefficient stor. Under bearbetning av kiselskivor, särskilt vid höghastighetsslipning eller polering, är det svårt att garantera kiselskivans planhet och parallellitet på grund av slitage och termisk deformation av slipskivan. Slipskivan är tillverkad avkiselkarbidkeramikhar lågt slitage på grund av sin höga hårdhet, och dess värmeutvidgningskoefficient är i princip densamma som för kiselskivor, så den kan slipas och poleras med hög hastighet.
Dessutom, när kiselskivor tillverkas, måste de genomgå högtemperaturvärmebehandling och transporteras ofta med hjälp av kiselkarbidfixturer. De är värmebeständiga och icke-förstörande. Diamantliknande kol (DLC) och andra beläggningar kan appliceras på ytan för att förbättra prestandan, lindra skador på skivorna och förhindra att kontaminering sprids.
Dessutom, som en representant för tredje generationens halvledarmaterial med brett bandgap, har kiselkarbid-enkristallmaterial egenskaper som stor bandgapbredd (ungefär 3 gånger så stor som Si), hög värmeledningsförmåga (ungefär 3,3 gånger så stor som Si eller 10 gånger så stor som GaAs), hög elektronmättnadsmigrationshastighet (ungefär 2,5 gånger så stor som Si) och ett högt genombrottselektriskt fält (ungefär 10 gånger så stor som Si eller 5 gånger så stor som GaAs). SiC-komponenter kompenserar för bristerna hos traditionella halvledarmaterialkomponenter i praktiska tillämpningar och blir gradvis mainstream bland krafthalvledare.
Efterfrågan på kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga har ökat dramatiskt
Med den kontinuerliga utvecklingen av vetenskap och teknik har efterfrågan på tillämpningar av kiselkarbidkeramik inom halvledarområdet ökat dramatiskt, och hög värmeledningsförmåga är en viktig indikator för dess tillämpning i komponenter för halvledartillverkning. Därför är det avgörande att stärka forskningen på kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga. Att minska syrehalten i gittret, förbättra densiteten och rimligt reglera fördelningen av den andra fasen i gittret är de viktigaste metoderna för att förbättra värmeledningsförmågan hos kiselkarbidkeramik.
För närvarande finns det få studier om kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga i mitt land, och det finns fortfarande en stor skillnad jämfört med världsnivån. Framtida forskningsinriktningar inkluderar:
● Stärka forskningen kring beredningsprocessen för kiselkarbidkeramikpulver. Beredningen av kiselkarbidpulver med hög renhet och låg syrehalt är grunden för beredningen av kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga;
● Stärka valet av sintringshjälpmedel och relaterad teoretisk forskning;
● Stärka forskningen och utvecklingen av avancerad sintringsutrustning. Genom att reglera sintringsprocessen för att erhålla en rimlig mikrostruktur är det en nödvändig förutsättning för att erhålla kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga.
Åtgärder för att förbättra värmeledningsförmågan hos kiselkarbidkeramik
Nyckeln till att förbättra värmeledningsförmågan hos SiC-keramik är att minska fononspridningsfrekvensen och öka fononernas medelfria väg. Värmeledningsförmågan hos SiC förbättras effektivt genom att minska porositeten och korngränsdensiteten hos SiC-keramik, förbättra renheten hos SiC-korngränserna, minska SiC-gitterföroreningar eller gitterdefekter och öka värmeöverföringsbäraren i SiC. För närvarande är optimering av typen och innehållet av sintringshjälpmedel och högtemperaturvärmebehandling de viktigaste åtgärderna för att förbättra värmeledningsförmågan hos SiC-keramik.
① Optimering av typ och innehåll av sintringshjälpmedel
Olika sintringshjälpmedel tillsätts ofta vid framställning av SiC-keramik med hög värmeledningsförmåga. Bland dessa har typen och innehållet av sintringshjälpmedel stor inverkan på värmeledningsförmågan hos SiC-keramik. Till exempel löses Al- eller O-element i Al2O3-systemets sintringshjälpmedel lätt upp i SiC-gittret, vilket resulterar i vakanser och defekter, vilket leder till en ökning av fononspridningsfrekvensen. Dessutom, om innehållet av sintringshjälpmedel är lågt, är materialet svårt att sintra och förtäta, medan ett högt innehåll av sintringshjälpmedel kommer att leda till en ökning av föroreningar och defekter. Överdriven användning av sintringshjälpmedel i flytande fas kan också hämma tillväxten av SiC-korn och minska den genomsnittliga fria vägen för fononer. För att framställa SiC-keramik med hög värmeledningsförmåga är det därför nödvändigt att minska innehållet av sintringshjälpmedel så mycket som möjligt samtidigt som kraven på sintringsdensitet uppfylls, och försöka välja sintringshjälpmedel som är svåra att lösa upp i SiC-gittret.
*Termiska egenskaper hos SiC-keramik när olika sintringshjälpmedel tillsätts
För närvarande har varmpressad SiC-keramik sintrad med BeO som sintringshjälpmedel maximal värmeledningsförmåga vid rumstemperatur (270 W·m⁻¹·K⁻¹). BeO är dock ett mycket giftigt och cancerframkallande material och är inte lämpligt för utbredd tillämpning i laboratorier eller industriella områden. Den lägsta eutektiska punkten för Y₂O₃-Al₂O₃-systemet är 1760 ℃, vilket är ett vanligt sintringshjälpmedel i flytande fas för SiC-keramik. Eftersom Al₃+ lätt löses upp i SiC-gittret, är den rumstemperaturbaserade värmeledningsförmågan för SiC-keramik mindre än 200 W·m⁻¹·K⁻¹ när detta system används som sintringshjälpmedel.
Sällsynta jordartsmetaller som Y, Sm, Sc, Gd och La är inte lättlösliga i SiC-gitter och har hög syreaffinitet, vilket effektivt kan minska syrehalten i SiC-gittret. Därför är Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)-systemet ett vanligt sintringshjälpmedel för att framställa SiC-keramik med hög värmeledningsförmåga (>200 W·m⁻¹·K⁻¹). Om man tar Y2O3-Sc2O3-systemets sintringshjälpmedel som exempel, är jonavvikelsen för Y3+ och Si4+ stor, och de två genomgår inte fast lösning. Lösligheten för Sc i ren SiC vid 1800~2600 ℃ är liten, cirka (2~3) × 10¹⁵atomer·cm⁻³.
② Högtemperaturvärmebehandling
Högtemperaturvärmebehandling av SiC-keramik bidrar till att eliminera gitterdefekter, dislokationer och kvarvarande spänningar, främja den strukturella omvandlingen av vissa amorfa material till kristaller och försvaga fononspridningseffekten. Dessutom kan högtemperaturvärmebehandling effektivt främja tillväxten av SiC-korn och i slutändan förbättra materialets termiska egenskaper. Till exempel, efter högtemperaturvärmebehandling vid 1950 °C ökade den termiska diffusionskoefficienten för SiC-keramik från 83,03 mm2·s-1 till 89,50 mm2·s-1, och den rumstemperaturbaserade värmeledningsförmågan ökade från 180,94 W·m-1·K-1 till 192,17 W·m-1·K-1. Högtemperaturvärmebehandling förbättrar effektivt deoxidationsförmågan hos sintringshjälpmedlet på SiC-ytan och gittret, och gör förbindelsen mellan SiC-kornen tätare. Efter högtemperaturvärmebehandling har den rumstemperaturbaserade värmeledningsförmågan hos SiC-keramik förbättrats avsevärt.
Publiceringstid: 24 oktober 2024