trenutno,silicijum karbid (SiC)je termički provodljivi keramički materijal koji se aktivno proučava u zemlji i inostranstvu. Teoretska toplotna provodljivost SiC je vrlo visoka, a neki kristalni oblici mogu dostići 270W/mK, što je već lider među neprovodnim materijalima. Na primjer, primjena toplinske provodljivosti SiC može se vidjeti u materijalima supstrata poluvodičkih uređaja, keramičkim materijalima visoke toplinske provodljivosti, grijačima i grijaćim pločama za obradu poluvodiča, materijalima kapsula za nuklearno gorivo i plinskim zaptivnim prstenovima za kompresorske pumpe.
Primjena ofsilicijum karbidau polju poluprovodnika
Brusni diskovi i pribor su važna procesna oprema za proizvodnju silicijumskih pločica u industriji poluprovodnika. Ako je brusni disk izrađen od lijevanog željeza ili ugljičnog čelika, njegov vijek trajanja je kratak, a koeficijent toplinskog širenja je velik. Tokom obrade silicijumskih pločica, posebno tokom brzog brušenja ili poliranja, zbog trošenja i termičke deformacije brusnog diska, teško je garantovati ravnost i paralelnost silicijumske pločice. Disk za mlevenje napravljen odsilicijum karbidna keramikaima nisko trošenje zbog svoje velike tvrdoće, a koeficijent termičkog širenja je u osnovi isti kao kod silikonskih pločica, tako da se može brusiti i polirati velikom brzinom.
Osim toga, kada se proizvode silicijumske pločice, one moraju proći visokotemperaturnu termičku obradu i često se transportuju pomoću silicijum karbida. Otporne su na toplotu i nerazorne su. Ugljik nalik dijamantu (DLC) i drugi premazi mogu se nanijeti na površinu radi poboljšanja performansi, ublažavanja oštećenja pločice i sprječavanja širenja kontaminacije.
Nadalje, kao predstavnik treće generacije širokopojasnih poluprovodničkih materijala, monokristalni materijali od silicijum karbida imaju svojstva kao što su velika širina pojasnog razmaka (oko 3 puta veća od Si), visoka toplotna provodljivost (oko 3,3 puta veća od Si ili 10 puta GaAs), visoka stopa migracije zasićenja elektronima (oko 2,5 puta veća od Si) i veliko električno polje proboja (oko 10 puta veće od Si ili 5 puta veće od GaAs). SiC uređaji nadoknađuju nedostatke tradicionalnih uređaja od poluvodičkog materijala u praktičnim primenama i postepeno postaju glavna struja energetskih poluprovodnika.
Potražnja za keramikom od silicijum karbida visoke toplotne provodljivosti dramatično se povećala
Uz kontinuirani razvoj nauke i tehnologije, potražnja za primjenom keramike od silicijum karbida u oblasti poluvodiča dramatično je porasla, a visoka toplotna provodljivost je ključni pokazatelj njene primjene u komponentama opreme za proizvodnju poluvodiča. Stoga je ključno pojačati istraživanja silicijum karbidne keramike visoke toplotne provodljivosti. Smanjenje sadržaja kisika u rešetki, poboljšanje gustoće i razumno reguliranje raspodjele druge faze u rešetki su glavne metode za poboljšanje toplinske provodljivosti keramike od silicijum karbida.
Trenutno postoji nekoliko studija o visokoj toplotnoj provodljivosti silicijum karbidne keramike u mojoj zemlji, a još uvek postoji veliki jaz u poređenju sa svetskim nivoom. Budući pravci istraživanja uključuju:
●Ojačati istraživanje procesa pripreme keramičkog praha silicijum karbida. Priprema silicijum karbidnog praha visoke čistoće sa niskim sadržajem kiseonika je osnova za pripremu silicijum karbidne keramike visoke toplotne provodljivosti;
● Ojačati izbor pomagala za sinterovanje i srodna teorijska istraživanja;
●Ojačati istraživanje i razvoj vrhunske opreme za sinteriranje. Regulisanjem procesa sinterovanja radi dobijanja razumne mikrostrukture, neophodan je uslov za dobijanje silicijum karbidne keramike visoke toplotne provodljivosti.
Mjere za poboljšanje toplinske provodljivosti silicijum karbidne keramike
Ključ za poboljšanje toplotne provodljivosti SiC keramike je smanjenje frekvencije raspršenja fonona i povećanje srednjeg slobodnog puta fonona. Toplotna provodljivost SiC će biti efektivno poboljšana smanjenjem poroznosti i gustine granica zrna SiC keramike, poboljšanjem čistoće granica zrna SiC, smanjenjem nečistoća SiC rešetke ili defekata rešetke i povećanjem nosača toplotnog toka u SiC. Trenutno su optimizacija vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinterovanje i termička obrada na visokim temperaturama glavne mjere za poboljšanje toplinske provodljivosti SiC keramike.
① Optimizacija vrste i sadržaja pomagala za sinteriranje
Različita pomoćna sredstva za sinterovanje se često dodaju prilikom pripreme SiC keramike visoke toplotne provodljivosti. Među njima, vrsta i sadržaj pomoćnih sredstava za sinterovanje imaju veliki utjecaj na toplinsku provodljivost SiC keramike. Na primjer, Al ili O elementi u Al2O3 sistemu pomoćnih sredstava za sinterovanje lako se rastvaraju u SiC rešetki, što rezultira praznim mjestima i defektima, što dovodi do povećanja frekvencije raspršenja fonona. Osim toga, ako je sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje nizak, materijal se teško sinteruje i zgušnjava, dok će visok sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje dovesti do povećanja nečistoća i defekata. Prekomjerna pomoćna sredstva za sinteriranje u tečnoj fazi također mogu inhibirati rast zrna SiC i smanjiti srednji slobodni put fonona. Stoga je za pripremu SiC keramike visoke toplinske provodljivosti potrebno što je moguće više smanjiti sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje uz zadovoljavanje zahtjeva gustoće sinteriranja, te pokušati odabrati pomoćna sredstva za sinteriranje koja se teško rastvaraju u SiC rešetki.
*Termička svojstva SiC keramike kada se dodaju različita pomoćna sredstva za sinterovanje
Trenutno toplo presovana SiC keramika sinterovana sa BeO kao pomoćnim sredstvom za sinterovanje ima maksimalnu toplotnu provodljivost na sobnoj temperaturi (270W·m-1·K-1). Međutim, BeO je visoko toksičan materijal i kancerogen i nije pogodan za široku primenu u laboratorijama ili industrijskim poljima. Najniža eutektička tačka sistema Y2O3-Al2O3 je 1760℃, što je uobičajeno sredstvo za sinterovanje u tečnoj fazi za SiC keramiku. Međutim, pošto se Al3+ lako rastvara u SiC rešetki, kada se ovaj sistem koristi kao pomoćno sredstvo za sinterovanje, toplotna provodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi je manja od 200W·m-1·K-1.
Rijetkozemni elementi kao što su Y, Sm, Sc, Gd i La nisu lako rastvorljivi u SiC rešetki i imaju visok afinitet za kiseonik, što može efikasno smanjiti sadržaj kiseonika u SiC rešetki. Stoga je sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) uobičajena pomoć za sinterovanje za pripremu SiC keramike visoke toplotne provodljivosti (>200W·m-1·K-1). Uzimajući kao primjer pomoćno sredstvo za sinterovanje sistema Y2O3-Sc2O3, vrijednost devijacije jona Y3+ i Si4+ je velika, a ova dva ne prolaze kroz čvrsti rastvor. Rastvorljivost Sc u čistom SiC na 1800~2600℃ je mala, oko (2~3)×1017 atoma·cm-3.
② Termička obrada na visokim temperaturama
Visokotemperaturna termička obrada SiC keramike pogoduje eliminaciji defekata rešetke, dislokacija i zaostalih naprezanja, promoviše strukturnu transformaciju nekih amorfnih materijala u kristale i slabi efekat raspršenja fonona. Osim toga, visokotemperaturna termička obrada može djelotvorno potaknuti rast zrna SiC i na kraju poboljšati termička svojstva materijala. Na primjer, nakon visokotemperaturne termičke obrade na 1950°C, koeficijent toplinske difuzije SiC keramike porastao je sa 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1, a toplinska provodljivost na sobnoj temperaturi porasla je sa 180,94W·m -1·K-1 do 192,17W·m-1·K-1. Toplotna obrada na visokim temperaturama efikasno poboljšava sposobnost deoksidacije pomoćnog sredstva za sinterovanje na površini i rešetki SiC i čini vezu između zrna SiC čvršćom. Nakon termičke obrade na visokim temperaturama, toplotna provodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi značajno je poboljšana.
Vrijeme objave: 24.10.2024