Наразі,карбід кремнію (SiC)– це теплопровідний керамічний матеріал, який активно вивчається в країні та за кордоном. Теоретична теплопровідність SiC дуже висока, а деякі кристалічні форми можуть досягати 270 Вт/мК, що вже є лідером серед непровідних матеріалів. Наприклад, застосування теплопровідності SiC можна побачити в матеріалах підкладок напівпровідникових приладів, керамічних матеріалах з високою теплопровідністю, нагрівачах та нагрівальних пластинах для обробки напівпровідників, матеріалах капсул для ядерного палива та газових ущільнювальних кільцях для компресорних насосів.
Застосуваннякарбід кремніюу галузі напівпровідників
Шліфувальні диски та пристосування є важливим технологічним обладнанням для виробництва кремнієвих пластин у напівпровідниковій промисловості. Якщо шліфувальний диск виготовлений з чавуну або вуглецевої сталі, його термін служби короткий, а коефіцієнт теплового розширення великий. Під час обробки кремнієвих пластин, особливо під час високошвидкісного шліфування або полірування, через знос та термічну деформацію шліфувального диска важко гарантувати площинність та паралельність кремнієвої пластини. Шліфувальний диск, виготовлений зкарбідкремнієва керамікамає низький знос завдяки високій твердості, а коефіцієнт теплового розширення в основному такий самий, як у кремнієвих пластин, тому його можна шліфувати та полірувати на високій швидкості.
Крім того, під час виробництва кремнієвих пластин їх необхідно піддавати високотемпературній термічній обробці, і їх часто транспортують за допомогою пристосувань з карбіду кремнію. Вони є термостійкими та неруйнівними. На поверхню можна наносити алмазоподібний вуглець (DLC) та інші покриття для покращення продуктивності, зменшення пошкодження пластин та запобігання поширенню забруднення.
Крім того, як представники широкозонних напівпровідникових матеріалів третього покоління, монокристалічні матеріали на основі карбіду кремнію мають такі властивості, як велика ширина забороненої зони (приблизно в 3 рази більша, ніж у Si), висока теплопровідність (приблизно в 3,3 рази більша, ніж у Si, або в 10 разів більша, ніж у GaAs), висока швидкість міграції електронного насичення (приблизно в 2,5 рази більша, ніж у Si) та високе електричне поле пробою (приблизно в 10 разів більша, ніж у Si, або в 5 разів більша, ніж у GaAs). Прилади на основі SiC компенсують недоліки традиційних напівпровідникових матеріалів у практичному застосуванні та поступово стають основним напрямком силових напівпровідників.
Попит на кераміку з карбіду кремнію з високою теплопровідністю різко зріс
З безперервним розвитком науки і техніки попит на застосування карбідокремнієвої кераміки в галузі напівпровідників різко зріс, а висока теплопровідність є ключовим показником для її застосування в компонентах обладнання для виробництва напівпровідників. Тому вкрай важливо посилити дослідження високотеплопровідної карбідокремнієвої кераміки. Зменшення вмісту кисню в ґратці, підвищення щільності та розумне регулювання розподілу другої фази в ґратці є основними методами покращення теплопровідності карбідокремнієвої кераміки.
Наразі в моїй країні проведено мало досліджень щодо кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю, і все ще існує великий розрив у порівнянні зі світовим рівнем. Майбутні напрямки досліджень включають:
●Посилення досліджень процесу приготування керамічного порошку карбіду кремнію. Приготування високочистого порошку карбіду кремнію з низьким вмістом кисню є основою для отримання кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю;
● Посилити вибір допоміжних речовин для спікання та відповідні теоретичні дослідження;
●Посилити дослідження та розробку високоякісного обладнання для спікання. Регулювання процесу спікання для отримання прийнятної мікроструктури є необхідною умовою для отримання кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю.
Заходи щодо покращення теплопровідності карбідокремнієвої кераміки
Ключем до покращення теплопровідності кераміки SiC є зниження частоти розсіювання фононів та збільшення довжини вільного пробігу фононів. Теплопровідність SiC буде ефективно покращена шляхом зменшення пористості та щільності меж зерен кераміки SiC, покращення чистоти меж зерен SiC, зменшення домішок або дефектів решітки SiC та збільшення носія теплового потоку в SiC. Наразі основними заходами для покращення теплопровідності кераміки SiC є оптимізація типу та вмісту допоміжних речовин для спікання та високотемпературна термічна обробка.
① Оптимізація типу та вмісту допоміжних речовин для спікання
Різні спікаючі добавки часто додають при виготовленні кераміки SiC з високою теплопровідністю. Серед них тип та вміст спікаючих добавок мають великий вплив на теплопровідність кераміки SiC. Наприклад, елементи Al або O в спікаючих добавках системи Al2O3 легко розчиняються в решітці SiC, що призводить до утворення вакансій та дефектів, що призводить до збільшення частоти розсіювання фононів. Крім того, якщо вміст спікаючих добавок низький, матеріал важко спікати та ущільнювати, тоді як високий вміст спікаючих добавок призведе до збільшення домішок та дефектів. Надмірна кількість спікаючих добавок у рідкій фазі також може пригнічувати ріст зерен SiC та зменшувати середню довжину вільного пробігу фононів. Тому, щоб виготовити кераміку SiC з високою теплопровідністю, необхідно максимально зменшити вміст спікаючих добавок, дотримуючись вимог щодо щільності спікання, та намагатися вибирати спікаючі добавки, які важко розчиняються в решітці SiC.
*Теплові властивості SiC-кераміки при додаванні різних спікальних добавок
Наразі гарячепресована кераміка SiC, спечена з BeO як допоміжним засобом для спікання, має максимальну теплопровідність за кімнатної температури (270 Вт·м-1·K-1). Однак BeO є високотоксичним та канцерогенним матеріалом, тому не підходить для широкого застосування в лабораторіях або промислових галузях. Найнижча евтектична точка системи Y2O3-Al2O3 становить 1760℃, що є поширеним рідкофазним допоміжним засобом для спікання кераміки SiC. Однак, оскільки Al3+ легко розчиняється в решітці SiC, коли ця система використовується як допоміжний засіб для спікання, теплопровідність кераміки SiC за кімнатної температури становить менше 200 Вт·м-1·K-1.
Рідкісноземельні елементи, такі як Y, Sm, Sc, Gd та La, погано розчиняються в решітці SiC та мають високу спорідненість до кисню, що може ефективно знижувати вміст кисню в решітці SiC. Тому система Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) є поширеним спікальним засобом для отримання кераміки SiC з високою теплопровідністю (>200 Вт·м-1·K-1). Взявши за приклад спікальний засоб системи Y2O3-Sc2O3, значення іонного відхилення Y3+ та Si4+ є великим, і ці два елементи не розчиняються у твердому розчині. Розчинність Sc у чистому SiC при 1800~2600℃ невелика, приблизно (2~3)×1017 атомів·см-3.
② Високотемпературна термічна обробка
Високотемпературна термічна обробка кераміки SiC сприяє усуненню дефектів кристалічної решітки, дислокацій та залишкових напружень, стимулює структурне перетворення деяких аморфних матеріалів у кристали та послаблює ефект розсіювання фононів. Крім того, високотемпературна термічна обробка може ефективно сприяти росту зерен SiC та зрештою покращувати теплові властивості матеріалу. Наприклад, після високотемпературної термічної обробки при 1950°C коефіцієнт теплової дифузії кераміки SiC збільшився з 83,03 мм2·с-1 до 89,50 мм2·с-1, а теплопровідність при кімнатній температурі збільшилася з 180,94 Вт·м-1·K-1 до 192,17 Вт·м-1·K-1. Високотемпературна термічна обробка ефективно покращує розкислювальну здатність допоміжної речовини для спікання на поверхні та в решітці SiC, а також робить зв'язок між зернами SiC щільнішим. Після високотемпературної термічної обробки теплопровідність кераміки SiC при кімнатній температурі значно покращилася.
Час публікації: 24 жовтня 2024 р.