Sa kasalukuyan,silikon karbida (SiC)Ang SiC ay isang thermally conductive ceramic material na aktibong pinag-aaralan sa loob at labas ng bansa. Ang theoretical thermal conductivity ng SiC ay napakataas, at ang ilang mga anyong kristal ay maaaring umabot sa 270W/mK, na nangunguna na sa mga non-conductive material. Halimbawa, ang aplikasyon ng SiC thermal conductivity ay makikita sa mga substrate material ng mga semiconductor device, mga ceramic material na may mataas na thermal conductivity, mga heater at heating plate para sa semiconductor processing, mga capsule material para sa nuclear fuel, at mga gas sealing ring para sa mga compressor pump.
Paglalapat ngsilikon karbidasa larangan ng semiconductor
Ang mga grinding disc at fixture ay mahahalagang kagamitan sa proseso para sa produksyon ng silicon wafer sa industriya ng semiconductor. Kung ang grinding disc ay gawa sa cast iron o carbon steel, maikli ang buhay ng serbisyo nito at malaki ang thermal expansion coefficient nito. Sa panahon ng pagproseso ng mga silicon wafer, lalo na sa high-speed grinding o polishing, dahil sa pagkasira at thermal deformation ng grinding disc, mahirap garantiyahan ang pagiging patag at parallelism ng silicon wafer. Ang grinding disc na gawa samga seramikong silikon karbidaMababa ang pagkasira dahil sa mataas na katigasan nito, at ang thermal expansion coefficient nito ay halos kapareho ng sa mga silicon wafer, kaya maaari itong gilingin at pakintabin sa mataas na bilis.
Bukod pa rito, kapag ang mga silicon wafer ay ginagawa, kailangan itong sumailalim sa mataas na temperaturang heat treatment at kadalasang dinadala gamit ang mga silicon carbide fixture. Ang mga ito ay lumalaban sa init at hindi mapanira. Ang diamond-like carbon (DLC) at iba pang mga patong ay maaaring ilapat sa ibabaw upang mapahusay ang pagganap, mabawasan ang pinsala sa wafer, at maiwasan ang pagkalat ng kontaminasyon.
Bukod pa rito, bilang kinatawan ng mga materyales na semiconductor na may malawak na bandgap sa ikatlong henerasyon, ang mga materyales na may single crystal na silicon carbide ay may mga katangian tulad ng malaking lapad ng bandgap (mga 3 beses kaysa sa Si), mataas na thermal conductivity (mga 3.3 beses kaysa sa Si o 10 beses kaysa sa GaAs), mataas na electron saturation migration rate (mga 2.5 beses kaysa sa Si) at mataas na breakdown electric field (mga 10 beses kaysa sa Si o 5 beses kaysa sa GaAs). Ang mga SiC device ay bumabawi sa mga depekto ng mga tradisyonal na semiconductor material device sa mga praktikal na aplikasyon at unti-unting nagiging mainstream ng mga power semiconductor.
Ang pangangailangan para sa mga ceramic na may mataas na thermal conductivity na gawa sa silicon carbide ay tumaas nang husto.
Kasabay ng patuloy na pag-unlad ng agham at teknolohiya, ang pangangailangan para sa aplikasyon ng silicon carbide ceramics sa larangan ng semiconductor ay lubhang tumaas, at ang mataas na thermal conductivity ay isang mahalagang indikasyon para sa aplikasyon nito sa mga bahagi ng kagamitan sa paggawa ng semiconductor. Samakatuwid, mahalagang palakasin ang pananaliksik sa mataas na thermal conductivity ng silicon carbide ceramics. Ang pagbabawas ng nilalaman ng lattice oxygen, pagpapabuti ng density, at makatwirang pag-regulate ng distribusyon ng pangalawang phase sa lattice ang mga pangunahing pamamaraan upang mapabuti ang thermal conductivity ng silicon carbide ceramics.
Sa kasalukuyan, kakaunti ang mga pag-aaral sa mataas na thermal conductivity ng silicon carbide ceramics sa aking bansa, at malaki pa rin ang agwat kumpara sa antas ng mundo. Kabilang sa mga direksyon ng pananaliksik sa hinaharap ang:
●Palakasin ang proseso ng pananaliksik sa paghahanda ng silicon carbide ceramic powder. Ang paghahanda ng high-purity, low-oxygen silicon carbide powder ang batayan para sa paghahanda ng high thermal conductivity silicon carbide ceramics;
● Palakasin ang pagpili ng mga sintering aid at mga kaugnay na teoretikal na pananaliksik;
●Palakasin ang pananaliksik at pagpapaunlad ng mga high-end na kagamitan sa sintering. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng proseso ng sintering upang makakuha ng makatwirang microstructure, isang kinakailangang kondisyon upang makakuha ng mataas na thermal conductivity na silicon carbide ceramics.
Mga hakbang upang mapabuti ang thermal conductivity ng silicon carbide ceramics
Ang susi sa pagpapabuti ng thermal conductivity ng SiC ceramics ay ang pagbabawas ng phonon scattering frequency at pagpapataas ng phonon mean free path. Ang thermal conductivity ng SiC ay epektibong mapapabuti sa pamamagitan ng pagbabawas ng porosity at grain boundary density ng SiC ceramics, pagpapabuti ng kadalisayan ng SiC grain boundaries, pagbabawas ng SiC lattice impurities o lattice defects, at pagpapataas ng heat flow transmission carrier sa SiC. Sa kasalukuyan, ang pag-optimize ng uri at nilalaman ng mga sintering aid at high-temperature heat treatment ang mga pangunahing hakbang upang mapabuti ang thermal conductivity ng SiC ceramics.
① Pag-optimize sa uri at nilalaman ng mga sintering aid
Madalas idinaragdag ang iba't ibang sintering aid kapag naghahanda ng mga SiC ceramics na may mataas na thermal conductivity. Kabilang sa mga ito, ang uri at nilalaman ng mga sintering aid ay may malaking impluwensya sa thermal conductivity ng mga SiC ceramics. Halimbawa, ang mga elementong Al o O sa mga sintering aid ng sistemang Al2O3 ay madaling matunaw sa SiC lattice, na nagreresulta sa mga bakante at depekto, na humahantong sa pagtaas ng frequency ng phonon scattering. Bukod pa rito, kung mababa ang nilalaman ng mga sintering aid, ang materyal ay mahirap i-sinter at i-densify, habang ang mataas na nilalaman ng mga sintering aid ay hahantong sa pagtaas ng mga impurities at depekto. Ang labis na liquid phase sintering aid ay maaari ring pumigil sa paglaki ng mga butil ng SiC at bawasan ang mean free path ng mga phonon. Samakatuwid, upang maghanda ng mga SiC ceramics na may mataas na thermal conductivity, kinakailangang bawasan ang nilalaman ng mga sintering aid hangga't maaari habang natutugunan ang mga kinakailangan ng sintering density, at subukang pumili ng mga sintering aid na mahirap matunaw sa SiC lattice.
*Mga katangiang thermal ng SiC ceramics kapag idinagdag ang iba't ibang sintering aid
Sa kasalukuyan, ang mga hot-pressed SiC ceramics na sininter gamit ang BeO₂ bilang sintering aid ay may pinakamataas na room-temperature thermal conductivity (270W·m-1·K-1). Gayunpaman, ang BeO₂ ay isang lubhang nakalalasong materyal at nagdudulot ng kanser, at hindi angkop para sa malawakang aplikasyon sa mga laboratoryo o industriyal na larangan. Ang pinakamababang eutectic point ng Y2O3-Al2O3 system ay 1760℃, na isang karaniwang liquid-phase sintering aid para sa SiC ceramics. Gayunpaman, dahil ang Al3+ ay madaling matunaw sa SiC lattice, kapag ang sistemang ito ay ginagamit bilang sintering aid, ang room-temperature thermal conductivity ng SiC ceramics ay mas mababa sa 200W·m-1·K-1.
Ang mga elementong bihirang lupa tulad ng Y, Sm, Sc, Gd at La ay hindi madaling matunaw sa SiC lattice at may mataas na oxygen affinity, na maaaring epektibong mabawasan ang nilalaman ng oxygen ng SiC lattice. Samakatuwid, ang sistemang Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) ay isang karaniwang sintering aid para sa paghahanda ng mataas na thermal conductivity (>200W·m-1·K-1) SiC ceramics. Kung gagamitin ang Y2O3-Sc2O3 system sintering aid bilang halimbawa, ang ion deviation value ng Y3+ at Si4+ ay malaki, at ang dalawa ay hindi sumasailalim sa solid solution. Ang solubility ng Sc sa purong SiC sa 1800~2600℃ ay maliit, humigit-kumulang (2~3)×1017 atoms·cm-3.
② Paggamot sa mataas na temperatura
Ang paggamot sa init sa mataas na temperatura ng SiC ceramics ay nakakatulong sa pag-aalis ng mga depekto sa lattice, dislocations, at residual stresses, na nagtataguyod ng estruktural na pagbabago ng ilang amorphous na materyales tungo sa mga kristal, at nagpapahina sa epekto ng phonon scattering. Bukod pa rito, ang paggamot sa init sa mataas na temperatura ay maaaring epektibong magsulong ng paglaki ng mga butil ng SiC, at sa huli ay mapabuti ang mga thermal properties ng materyal. Halimbawa, pagkatapos ng paggamot sa init sa mataas na temperatura sa 1950°C, ang thermal diffusion coefficient ng SiC ceramics ay tumaas mula 83.03mm2·s-1 hanggang 89.50mm2·s-1, at ang thermal conductivity sa temperatura ng silid ay tumaas mula 180.94W·m-1·K-1 hanggang 192.17W·m-1·K-1. Ang paggamot sa init sa mataas na temperatura ay epektibong nagpapabuti sa kakayahan ng deoxidation ng sintering aid sa ibabaw at lattice ng SiC, at ginagawang mas mahigpit ang koneksyon sa pagitan ng mga butil ng SiC. Pagkatapos ng paggamot sa init sa mataas na temperatura, ang thermal conductivity sa temperatura ng silid ng SiC ceramics ay makabuluhang napabuti.
Oras ng pag-post: Oktubre-24-2024