Şu anda,silisyum karbür (SiC)SiC, hem yurt içinde hem de yurt dışında aktif olarak araştırılan, ısı iletkenliğine sahip bir seramik malzemedir. SiC'nin teorik ısı iletkenliği çok yüksektir ve bazı kristal formları 270 W/mK'ye ulaşabilir; bu da iletken olmayan malzemeler arasında zaten bir lider konumundadır. Örneğin, SiC'nin ısı iletkenliğinin uygulamaları, yarı iletken cihazların altlık malzemelerinde, yüksek ısı iletkenliğine sahip seramik malzemelerde, yarı iletken işleme için ısıtıcılar ve ısıtma plakalarında, nükleer yakıt için kapsül malzemelerinde ve kompresör pompaları için gaz sızdırmazlık halkalarında görülebilir.
Uygulamasilisyum karbüryarı iletken alanında
Yarı iletken endüstrisinde silikon gofret üretiminde taşlama diskleri ve fikstürleri önemli proses ekipmanlarıdır. Taşlama diski dökme demir veya karbon çelikten yapılmışsa, kullanım ömrü kısadır ve termal genleşme katsayısı yüksektir. Silikon gofretlerin işlenmesi sırasında, özellikle yüksek hızlı taşlama veya parlatma sırasında, taşlama diskinin aşınması ve termal deformasyonu nedeniyle silikon gofretin düzlüğü ve paralelliği garanti edilemez. Bu amaçla kullanılan taşlama diskleri, dökme demir veya karbon çelikten yapılmış disklerin kullanım ömrünü kısaltır ve termal genleşme katsayısını artırır.silisyum karbür seramiklerYüksek sertliği sayesinde aşınma oranı düşüktür ve termal genleşme katsayısı temelde silikon levhalarınkiyle aynıdır, bu nedenle yüksek hızda taşlanabilir ve parlatılabilir.
Ayrıca, silikon levhalar üretilirken yüksek sıcaklıkta ısıl işleme tabi tutulmaları gerekir ve genellikle silisyum karbür fikstürler kullanılarak taşınırlar. Isıya dayanıklıdırlar ve tahribat yaratmazlar. Performansı artırmak, levha hasarını azaltmak ve kirliliğin yayılmasını önlemek için yüzeye elmas benzeri karbon (DLC) ve diğer kaplamalar uygulanabilir.
Ayrıca, üçüncü nesil geniş bant aralıklı yarı iletken malzemelerin bir temsilcisi olarak silisyum karbür tek kristal malzemeler, geniş bant aralığı genişliği (Si'nin yaklaşık 3 katı), yüksek termal iletkenlik (Si'nin yaklaşık 3,3 katı veya GaAs'ın 10 katı), yüksek elektron doygunluk göç hızı (Si'nin yaklaşık 2,5 katı) ve yüksek kırılma elektrik alanı (Si'nin yaklaşık 10 katı veya GaAs'ın 5 katı) gibi özelliklere sahiptir. SiC cihazları, geleneksel yarı iletken malzeme cihazlarının pratik uygulamalardaki eksikliklerini gidermekte ve yavaş yavaş güç yarı iletkenlerinin ana akımı haline gelmektedir.
Yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramiklere olan talep önemli ölçüde arttı.
Bilim ve teknolojinin sürekli gelişmesiyle birlikte, yarı iletken alanında silisyum karbür seramiklerin uygulamasına olan talep önemli ölçüde artmıştır ve yüksek ısı iletkenliği, yarı iletken üretim ekipmanı bileşenlerinde uygulanması için kilit bir göstergedir. Bu nedenle, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramikler üzerine yapılan araştırmaları güçlendirmek çok önemlidir. Kafes oksijen içeriğini azaltmak, yoğunluğu artırmak ve kafesteki ikinci fazın dağılımını makul bir şekilde düzenlemek, silisyum karbür seramiklerin ısı iletkenliğini iyileştirmenin başlıca yöntemleridir.
Şu anda ülkemizde yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramikler üzerine yapılan çalışmalar azdır ve dünya seviyesiyle karşılaştırıldığında hala büyük bir fark bulunmaktadır. Gelecekteki araştırma yönleri şunlardır:
●Silisyum karbür seramik tozunun hazırlama süreci araştırmalarını güçlendirmek. Yüksek saflıkta, düşük oksijenli silisyum karbür tozunun hazırlanması, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramiklerin hazırlanmasının temelini oluşturmaktadır;
● Sinterleme yardımcı maddelerinin seçimi ve ilgili teorik araştırmaların güçlendirilmesi;
●Yüksek kaliteli sinterleme ekipmanlarının araştırma ve geliştirme çalışmalarını güçlendirin. Makul bir mikro yapı elde etmek için sinterleme sürecini düzenlemek, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramikler elde etmenin gerekli bir koşuludur.
Silisyum karbür seramiklerin ısı iletkenliğini iyileştirmeye yönelik önlemler
SiC seramiklerinin ısı iletkenliğini iyileştirmenin anahtarı, fonon saçılma frekansını azaltmak ve fonon ortalama serbest yolunu artırmaktır. SiC seramiklerinin gözenekliliğini ve tane sınırı yoğunluğunu azaltarak, SiC tane sınırlarının saflığını artırarak, SiC kafes safsızlıklarını veya kafes kusurlarını azaltarak ve SiC'deki ısı akışı iletim taşıyıcısını artırarak SiC'nin ısı iletkenliği etkili bir şekilde iyileştirilebilir. Şu anda, sinterleme yardımcılarının türünü ve içeriğini optimize etmek ve yüksek sıcaklıkta ısıl işlem uygulamak, SiC seramiklerinin ısı iletkenliğini iyileştirmenin başlıca yöntemleridir.
① Sinterleme yardımcı maddelerinin türü ve içeriğinin optimize edilmesi
Yüksek ısı iletkenliğine sahip SiC seramiklerinin hazırlanmasında genellikle çeşitli sinterleme yardımcı maddeleri eklenir. Bunlar arasında, sinterleme yardımcı maddelerinin türü ve içeriği, SiC seramiklerinin ısı iletkenliği üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Örneğin, Al2O3 sistemli sinterleme yardımcı maddelerindeki Al veya O elementleri, SiC kafesine kolayca çözünerek boşluklara ve kusurlara yol açar ve bu da fonon saçılma frekansında artışa neden olur. Ayrıca, sinterleme yardımcı maddelerinin içeriği düşükse, malzemenin sinterlenmesi ve yoğunlaştırılması zorlaşırken, yüksek sinterleme yardımcı maddesi içeriği safsızlıkların ve kusurların artmasına yol açar. Aşırı sıvı fazlı sinterleme yardımcı maddeleri ayrıca SiC tanelerinin büyümesini engelleyebilir ve fononların ortalama serbest yolunu azaltabilir. Bu nedenle, yüksek ısı iletkenliğine sahip SiC seramikleri hazırlamak için, sinterleme yoğunluğu gereksinimlerini karşılarken sinterleme yardımcı maddelerinin içeriğini mümkün olduğunca azaltmak ve SiC kafesinde çözünmesi zor olan sinterleme yardımcı maddelerini seçmeye çalışmak gereklidir.
*Farklı sinterleme yardımcı maddeleri eklendiğinde SiC seramiklerinin termal özellikleri
Şu anda, sinterleme yardımcısı olarak BeO ile sinterlenmiş sıcak preslenmiş SiC seramikleri, maksimum oda sıcaklığı termal iletkenliğine (270 W·m-1·K-1) sahiptir. Bununla birlikte, BeO son derece toksik ve kanserojen bir maddedir ve laboratuvarlarda veya endüstriyel alanlarda yaygın uygulama için uygun değildir. Y2O3-Al2O3 sisteminin en düşük ötektik noktası 1760℃'dir ve bu, SiC seramikleri için yaygın bir sıvı faz sinterleme yardımcısıdır. Ancak, Al3+ SiC kafesine kolayca çözündüğü için, bu sistem sinterleme yardımcısı olarak kullanıldığında, SiC seramiklerinin oda sıcaklığı termal iletkenliği 200 W·m-1·K-1'den daha düşüktür.
Y, Sm, Sc, Gd ve La gibi nadir toprak elementleri SiC kafesinde kolayca çözünmez ve yüksek oksijen afinitesine sahiptir; bu da SiC kafesinin oksijen içeriğini etkili bir şekilde azaltabilir. Bu nedenle, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) sistemi, yüksek ısı iletkenliğine (>200 W·m-1·K-1) sahip SiC seramiklerinin hazırlanmasında yaygın bir sinterleme yardımcısıdır. Y2O3-Sc2O3 sistem sinterleme yardımcısını örnek olarak alırsak, Y3+ ve Si4+ iyonlarının sapma değeri büyüktür ve ikisi de katı çözelti oluşturmaz. Sc'nin saf SiC'deki 1800~2600℃'deki çözünürlüğü küçüktür, yaklaşık (2~3)×1017 atom·cm-3'tür.
② Yüksek sıcaklıkta ısıl işlem
SiC seramiklerinin yüksek sıcaklıkta ısıl işlemi, kafes kusurlarını, dislokasyonları ve artık gerilimleri ortadan kaldırmaya, bazı amorf malzemelerin kristallere yapısal dönüşümünü teşvik etmeye ve fonon saçılma etkisini zayıflatmaya elverişlidir. Ek olarak, yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, SiC tanelerinin büyümesini etkili bir şekilde teşvik edebilir ve sonuç olarak malzemenin termal özelliklerini iyileştirebilir. Örneğin, 1950 °C'de yüksek sıcaklıkta ısıl işlemden sonra, SiC seramiklerinin termal difüzyon katsayısı 83,03 mm²·s⁻¹'den 89,50 mm²·s⁻¹'e ve oda sıcaklığındaki termal iletkenlik 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹'den 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹'e yükselmiştir. Yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, sinterleme yardımcısının SiC yüzeyinde ve kafesinde deoksidasyon yeteneğini etkili bir şekilde iyileştirir ve SiC taneleri arasındaki bağlantıyı daha sıkı hale getirir. Yüksek sıcaklıkta ısıl işlemden sonra, SiC seramiklerinin oda sıcaklığındaki ısı iletkenliği önemli ölçüde iyileştirilmiştir.
Yayın tarihi: 24 Ekim 2024