الطلب وتطبيق سيراميك SiC عالي الموصلية الحرارية في مجال أشباه الموصلات

حالياً،كربيد السيليكون (SiC)هي مادة خزفية موصلة للحرارة والتي تمت دراستها بنشاط في الداخل والخارج. تعتبر الموصلية الحرارية النظرية لـ SiC عالية جدًا، ويمكن أن تصل بعض الأشكال البلورية إلى 270W / mK، وهي بالفعل رائدة بين المواد غير الموصلة. على سبيل المثال، يمكن رؤية تطبيق التوصيل الحراري SiC في المواد الأساسية لأجهزة أشباه الموصلات، والمواد الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية، والسخانات وألواح التسخين لمعالجة أشباه الموصلات، ومواد الكبسولة للوقود النووي، وحلقات منع تسرب الغاز لمضخات الضاغط.

تطبيقكربيد السيليكونفي مجال أشباه الموصلات
تعد أقراص وتركيبات الطحن من معدات المعالجة المهمة لإنتاج رقائق السيليكون في صناعة أشباه الموصلات. إذا كان قرص الطحن مصنوعًا من الحديد الزهر أو الفولاذ الكربوني، فإن عمر الخدمة الخاص به يكون قصيرًا ويكون معامل التمدد الحراري الخاص به كبيرًا. أثناء معالجة رقائق السيليكون، خاصة أثناء الطحن أو التلميع عالي السرعة، بسبب التآكل والتشوه الحراري لقرص الطحن، يصعب ضمان التسطيح والتوازي لرقاقة السيليكون. قرص الطحن مصنوع منسيراميك كربيد السيليكونيتميز بتآكل منخفض بسبب صلابته العالية، ومعامل التمدد الحراري الخاص به هو في الأساس نفس معامل تمدد رقائق السيليكون، لذلك يمكن طحنه وصقله بسرعة عالية.

بالإضافة إلى ذلك، عندما يتم إنتاج رقائق السيليكون، فإنها تحتاج إلى الخضوع للمعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية وغالبًا ما يتم نقلها باستخدام تركيبات كربيد السيليكون. فهي مقاومة للحرارة وغير مدمرة. يمكن تطبيق الكربون الشبيه بالألماس (DLC) والطلاءات الأخرى على السطح لتعزيز الأداء، وتخفيف تلف الرقاقة، ومنع التلوث من الانتشار.

علاوة على ذلك، كممثل للجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، فإن المواد البلورية المفردة من كربيد السيليكون لها خصائص مثل عرض فجوة النطاق الكبيرة (حوالي 3 أضعاف عرض Si)، والتوصيل الحراري العالي (حوالي 3.3 أضعاف عرض Si أو 10 مرات). (GaAs)، معدل هجرة تشبع الإلكترون العالي (حوالي 2.5 مرة من Si) والمجال الكهربائي عالي الانهيار (حوالي 10 أضعاف Si أو 5 أضعاف GaAs). تعوض أجهزة SiC عيوب أجهزة مواد أشباه الموصلات التقليدية في التطبيقات العملية وأصبحت تدريجيًا التيار الرئيسي لأشباه موصلات الطاقة.

لقد زاد الطلب على سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري بشكل كبير
مع التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا، زاد الطلب على تطبيق سيراميك كربيد السيليكون في مجال أشباه الموصلات بشكل كبير، وتعد الموصلية الحرارية العالية مؤشرًا رئيسيًا لتطبيقه في مكونات معدات تصنيع أشباه الموصلات. ولذلك، فمن الأهمية بمكان تعزيز البحوث المتعلقة بسيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري. يعد تقليل محتوى الأكسجين في الشبكة وتحسين الكثافة وتنظيم توزيع المرحلة الثانية في الشبكة بشكل معقول من الطرق الرئيسية لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك كربيد السيليكون.

في الوقت الحاضر، هناك القليل من الدراسات حول سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري في بلدي، ولا تزال هناك فجوة كبيرة مقارنة بالمستوى العالمي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية ما يلي:
●تعزيز عملية البحث في مسحوق السيراميك من كربيد السيليكون. يعد تحضير مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء ومنخفض الأكسجين هو الأساس لإعداد سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري؛
● تعزيز اختيار مساعدات التلبيد والبحوث النظرية ذات الصلة؛
●تعزيز البحث والتطوير لمعدات التلبيد المتطورة. من خلال تنظيم عملية التلبيد للحصول على بنية مجهرية معقولة، يعد ذلك شرطًا ضروريًا للحصول على سيراميك كربيد السيليكون عالي التوصيل الحراري.
تدابير لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك كربيد السيليكون
إن المفتاح لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك SiC هو تقليل تردد تشتت الفونون وزيادة المسار الحر للفونون. سيتم تحسين التوصيل الحراري لـ SiC بشكل فعال عن طريق تقليل المسامية وكثافة حدود الحبوب لسيراميك SiC، وتحسين نقاء حدود حبيبات SiC، وتقليل شوائب شعرية SiC أو عيوب الشبكة، وزيادة حامل نقل التدفق الحراري في SiC. في الوقت الحاضر، يعد تحسين نوع ومحتوى مساعدات التلبيد والمعالجة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية من الإجراءات الرئيسية لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك SiC.

① تحسين نوع ومحتوى مساعدات التلبيد

غالبًا ما يتم إضافة مساعدات تلبيد مختلفة عند تحضير سيراميك SiC ذو الموصلية الحرارية العالية. من بينها، لنوع ومحتوى مساعدات التلبيد تأثير كبير على التوصيل الحراري لسيراميك SiC. على سبيل المثال، يتم إذابة عناصر Al أو O الموجودة في مساعدات التلبيد لنظام Al2O3 بسهولة في شبكة SiC، مما يؤدي إلى وجود شواغر وعيوب، مما يؤدي إلى زيادة في تردد نثر الفونون. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان محتوى مساعدات التلبيد منخفضًا، فمن الصعب تلبيد المادة وتكثيفها، في حين أن المحتوى العالي من مساعدات التلبيد سيؤدي إلى زيادة الشوائب والعيوب. يمكن أيضًا أن تمنع مساعدات تلبيد الطور السائل المفرط نمو حبيبات SiC وتقلل من متوسط ​​المسار الحر للفونونات. لذلك، من أجل تحضير سيراميك SiC ذو موصلية حرارية عالية، من الضروري تقليل محتوى مساعدات التلبيد قدر الإمكان مع تلبية متطلبات كثافة التلبيد، ومحاولة اختيار مساعدات التلبيد التي يصعب إذابتها في شبكة SiC.

*الخصائص الحرارية لسيراميك كربيد السيليكون عند إضافة وسائل مساعدة مختلفة للتلبيد

في الوقت الحالي، يتمتع سيراميك SiC المضغوط على الساخن والمتكلس بـ BeO كمساعد للتلبيد بأقصى موصلية حرارية في درجة حرارة الغرفة (270W·m-1·K-1). ومع ذلك، فإن BeO مادة شديدة السمية ومسببة للسرطان، وغير مناسبة للاستخدام على نطاق واسع في المختبرات أو المجالات الصناعية. أدنى نقطة سهلة الانصهار لنظام Y2O3-Al2O3 هي 1760 درجة مئوية، وهي عبارة عن أداة مساعدة شائعة لتلبيد الطور السائل لسيراميك SiC. ومع ذلك، بما أن Al3+ يذوب بسهولة في شبكة SiC، فعندما يتم استخدام هذا النظام كمساعد للتلبيد، تكون الموصلية الحرارية لسيراميك SiC في درجة حرارة الغرفة أقل من 200W·m-1·K-1.

العناصر الأرضية النادرة مثل Y وSm وSc وGd وLa ليست قابلة للذوبان بسهولة في شبكة SiC ولها ألفة عالية للأكسجين، مما يمكن أن يقلل بشكل فعال من محتوى الأكسجين في شبكة SiC. لذلك، يعد نظام Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) أداة مساعدة شائعة للتلبيد لتحضير سيراميك SiC ذو الموصلية الحرارية العالية (> 200W·m-1·K-1). بأخذ مساعد التلبيد لنظام Y2O3-Sc2O3 كمثال، فإن قيمة الانحراف الأيوني لـ Y3+ وSi4+ كبيرة، ولا يخضع الاثنان لمحلول صلب. إن قابلية ذوبان Sc في SiC النقي عند 1800 ~ 2600 درجة مئوية صغيرة، حوالي (2 ~ 3) × 1017 ذرة·سم-3.

② المعالجة الحرارية لدرجة الحرارة العالية

تساعد المعالجة الحرارية لسيراميك SiC بدرجة حرارة عالية على القضاء على عيوب الشبكة والخلع والضغوط المتبقية، وتعزيز التحول الهيكلي لبعض المواد غير المتبلورة إلى بلورات، وإضعاف تأثير تشتت الفونون. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمعالجة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية أن تعزز بشكل فعال نمو حبيبات SiC، وفي النهاية تحسين الخواص الحرارية للمادة. على سبيل المثال، بعد المعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية عند 1950 درجة مئوية، زاد معامل الانتشار الحراري لسيراميك SiC من 83.03 مم 2 · ثانية -1 إلى 89.50 مم 2 · ثانية - 1، وزادت الموصلية الحرارية في درجة حرارة الغرفة من 180.94 وات · م. -1·K-1 إلى 192.17W·m-1·K-1. تعمل المعالجة الحرارية بدرجة الحرارة العالية على تحسين قدرة إزالة الأكسدة لمساعد التلبيد بشكل فعال على سطح وشبكة SiC، وتجعل الاتصال بين حبيبات SiC أكثر إحكامًا. بعد المعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية، تم تحسين التوصيل الحراري لدرجة حرارة الغرفة لسيراميك SiC بشكل ملحوظ.