в момента,силициев карбид (SiC)е топлопроводим керамичен материал, който се изучава активно у нас и в чужбина. Теоретичната топлопроводимост на SiC е много висока и някои кристални форми могат да достигнат 270 W/mK, което вече е лидер сред непроводимите материали. Например, приложението на SiC топлопроводимост може да се види в субстратните материали на полупроводникови устройства, керамични материали с висока топлопроводимост, нагреватели и нагревателни плочи за обработка на полупроводници, капсулни материали за ядрено гориво и газови уплътнителни пръстени за компресорни помпи.
Приложение насилициев карбидв областта на полупроводниците
Шлифовъчните дискове и приспособления са важно технологично оборудване за производство на силициеви пластини в полупроводниковата индустрия. Ако шлифовъчният диск е изработен от чугун или въглеродна стомана, експлоатационният му живот е кратък и коефициентът на топлинно разширение е голям. По време на обработката на силициеви пластини, особено по време на високоскоростно шлайфане или полиране, поради износването и термичната деформация на шлифовъчния диск, плоскостта и паралелността на силициевата пластина са трудни за гарантиране. Шлифовъчният диск, изработен отсилициево-карбидна керамикаима ниско износване поради високата си твърдост и неговият коефициент на топлинно разширение е основно същият като този на силициевите пластини, така че може да се шлифова и полира при висока скорост.
Освен това, когато се произвеждат силициеви пластини, те трябва да преминат през високотемпературна термична обработка и често се транспортират с помощта на приспособления от силициев карбид. Те са топлоустойчиви и неразрушителни. Диамантеноподобен въглерод (DLC) и други покрития могат да бъдат нанесени върху повърхността, за да се подобри производителността, да се облекчат щетите на пластините и да се предотврати разпространението на замърсяване.
Освен това, като представител на широколентовите полупроводникови материали от трето поколение, монокристалните материали от силициев карбид имат свойства като голяма ширина на забранената лента (около 3 пъти по-голяма от Si), висока топлопроводимост (около 3,3 пъти по-голяма от тази на Si или 10 пъти тази на GaAs), висока скорост на миграция на насищане с електрони (около 2,5 пъти тази на Si) и силно пробивно електрическо поле (около 10 пъти по-голям от Si или 5 пъти по-голям от GaAs). SiC устройствата компенсират дефектите на традиционните устройства от полупроводникови материали в практическите приложения и постепенно се превръщат в основния поток на силовите полупроводници.
Търсенето на керамика от силициев карбид с висока топлопроводимост се е увеличило драстично
С непрекъснатото развитие на науката и технологиите търсенето на прилагане на керамика от силициев карбид в областта на полупроводниците се е увеличило драстично и високата топлопроводимост е ключов индикатор за нейното приложение в компонентите на оборудването за производство на полупроводници. Ето защо е от решаващо значение да се засилят изследванията върху керамиката от силициев карбид с висока топлопроводимост. Намаляването на съдържанието на кислород в решетката, подобряването на плътността и разумното регулиране на разпределението на втората фаза в решетката са основните методи за подобряване на топлопроводимостта на керамиката от силициев карбид.
Понастоящем има малко проучвания за керамика от силициев карбид с висока топлопроводимост в моята страна и все още има голяма разлика в сравнение със световното ниво. Бъдещите изследователски направления включват:
● Укрепване на изследванията на процеса на подготовка на керамичен прах от силициев карбид. Приготвянето на прах от силициев карбид с висока чистота и ниско съдържание на кислород е основата за получаването на керамика от силициев карбид с висока топлопроводимост;
● Засилване на избора на помощни средства за синтероване и свързаните с тях теоретични изследвания;
● Укрепване на изследванията и развитието на оборудване за синтероване от висок клас. Чрез регулиране на процеса на синтероване за получаване на разумна микроструктура е необходимо условие за получаване на керамика от силициев карбид с висока топлопроводимост.
Мерки за подобряване на топлопроводимостта на керамиката от силициев карбид
Ключът към подобряването на топлопроводимостта на SiC керамиката е да се намали честотата на разсейване на фононите и да се увеличи средният свободен път на фонона. Топлинната проводимост на SiC ще бъде ефективно подобрена чрез намаляване на порьозността и плътността на границите на SiC керамиката, подобряване на чистотата на границите на SiC зърната, намаляване на примесите или дефектите на решетката на SiC и увеличаване на носителя на топлинния поток в SiC. Понастоящем оптимизирането на вида и съдържанието на добавките за синтероване и високотемпературната топлинна обработка са основните мерки за подобряване на топлопроводимостта на SiC керамиката.
① Оптимизиране на вида и съдържанието на спомагателните средства за синтероване
Често се добавят различни добавки за синтероване, когато се приготвя SiC керамика с висока топлопроводимост. Сред тях видът и съдържанието на спомагателните вещества за синтероване оказват голямо влияние върху топлопроводимостта на SiC керамиката. Например елементите Al или O в помощните средства за синтероване на системата Al2O3 лесно се разтварят в решетката на SiC, което води до свободни места и дефекти, което води до увеличаване на честотата на разсейване на фонони. Освен това, ако съдържанието на спомагателни вещества за синтероване е ниско, материалът е трудно да се синтероват и да се уплътни, докато високото съдържание на спомагателни вещества за синтероване ще доведе до увеличаване на примесите и дефектите. Прекомерното количество помощни средства за синтероване в течна фаза може също да попречи на растежа на SiC зърна и да намали средния свободен път на фононите. Следователно, за да се подготви SiC керамика с висока топлопроводимост, е необходимо да се намали възможно най-много съдържанието на спомагателни вещества за синтероване, като същевременно се спазват изискванията за плътност на синтероване и се опитайте да изберете спомагателни вещества за синтероване, които трудно се разтварят в решетката на SiC.
*Термични свойства на SiC керамиката, когато се добавят различни добавки за синтероване
Понастоящем горещо пресованата SiC керамика, синтерована с BeO като помощно средство за синтероване, има максимална топлопроводимост при стайна температура (270 W·m-1·K-1). Въпреки това BeO е силно токсичен и канцерогенен материал и не е подходящ за широко приложение в лаборатории или промишлени области. Най-ниската евтектична точка на системата Y2O3-Al2O3 е 1760 ℃, което е често срещано средство за синтероване в течна фаза за SiC керамика. Въпреки това, тъй като Al3+ лесно се разтваря в решетката на SiC, когато тази система се използва като помощно средство за синтероване, топлопроводимостта на SiC керамиката при стайна температура е по-малка от 200 W·m-1·K-1.
Редкоземните елементи като Y, Sm, Sc, Gd и La не са лесно разтворими в решетката на SiC и имат висок афинитет към кислорода, което може ефективно да намали съдържанието на кислород в решетката на SiC. Следователно системата Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) е обичайна помощ при синтероване за приготвяне на SiC керамика с висока топлопроводимост (>200W·m-1·K-1). Като вземем за пример помощта за синтероване на системата Y2O3-Sc2O3, стойността на йонното отклонение на Y3+ и Si4+ е голяма и двете не преминават през твърд разтвор. Разтворимостта на Sc в чист SiC при 1800~2600 ℃ е малка, около (2~3)×1017atoms·cm-3.
② Термична обработка при висока температура
Високотемпературната термична обработка на SiC керамика е благоприятна за елиминиране на дефекти на решетката, дислокации и остатъчни напрежения, насърчаване на структурната трансформация на някои аморфни материали в кристали и отслабване на ефекта на разсейване на фонони. В допълнение, високотемпературната топлинна обработка може ефективно да насърчи растежа на SiC зърна и в крайна сметка да подобри термичните свойства на материала. Например, след високотемпературна термична обработка при 1950°C, коефициентът на термична дифузия на SiC керамиката се увеличи от 83,03 mm2·s-1 на 89,50 mm2·s-1, а топлопроводимостта при стайна температура се увеличи от 180,94 W·m -1·K-1 до 192,17 W·m-1·K-1. Високотемпературната топлинна обработка ефективно подобрява дезоксидиращата способност на спомагателното средство за синтероване върху SiC повърхността и решетката и прави връзката между SiC зърната по-плътна. След високотемпературна топлинна обработка топлопроводимостта на SiC керамиката при стайна температура е значително подобрена.
Време на публикуване: 24 октомври 2024 г