Actualment,carbur de silici (SiC)és un material ceràmic tèrmicament conductor que s'estudia activament a casa i a l'estranger. La conductivitat tèrmica teòrica de SiC és molt alta, i algunes formes de cristall poden arribar a 270 W/mK, que ja és líder entre els materials no conductors. Per exemple, l'aplicació de la conductivitat tèrmica de SiC es pot veure en els materials de substrat de dispositius semiconductors, materials ceràmics d'alta conductivitat tèrmica, escalfadors i plaques de calefacció per al processament de semiconductors, materials de càpsules per a combustible nuclear i anells de segellat de gas per a bombes de compressor.
Aplicació decarbur de silicien el camp dels semiconductors
Els discs i accessoris de rectificat són equips de procés importants per a la producció d'hòsties de silici a la indústria dels semiconductors. Si el disc de mòlta està fet de ferro colat o acer al carboni, la seva vida útil és curta i el seu coeficient d'expansió tèrmica és gran. Durant el processament de les hòsties de silici, especialment durant la mòlta o el poliment d'alta velocitat, a causa del desgast i la deformació tèrmica del disc de mòlta, la planitud i el paral·lelisme de l'hòstia de silici són difícils de garantir. El disc de mòlta fet deceràmica de carbur de silicité un desgast baix a causa de la seva alta duresa, i el seu coeficient d'expansió tèrmica és bàsicament el mateix que el de les hòsties de silici, de manera que es pot polir i polir a gran velocitat.
A més, quan es produeixen hòsties de silici, s'han de sotmetre a un tractament tèrmic a alta temperatura i sovint es transporten amb accessoris de carbur de silici. Són resistents a la calor i no destructius. El carboni semblant al diamant (DLC) i altres recobriments es poden aplicar a la superfície per millorar el rendiment, alleujar els danys a les hòsties i evitar que la contaminació s'escampi.
A més, com a representant dels materials semiconductors de banda ampla de tercera generació, els materials de cristall únic de carbur de silici tenen propietats com ara una amplada de banda gran (aproximadament 3 vegades la del Si), una alta conductivitat tèrmica (unes 3,3 vegades la del Si o 10 vegades). la del GaAs), una alta taxa de migració de saturació d'electrons (unes 2,5 vegades la del Si) i un camp elèctric elevat de descomposició (unes 10 vegades la del Si o 5 vegades la del GaAs). Els dispositius de SiC compensen els defectes dels dispositius tradicionals de material semiconductor en aplicacions pràctiques i s'estan convertint gradualment en el corrent principal dels semiconductors de potència.
La demanda de ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica ha augmentat dràsticament
Amb el desenvolupament continu de la ciència i la tecnologia, la demanda d'aplicació de ceràmiques de carbur de silici en el camp dels semiconductors ha augmentat dràsticament i l'alta conductivitat tèrmica és un indicador clau per a la seva aplicació en components d'equips de fabricació de semiconductors. Per tant, és crucial reforçar la investigació sobre ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica. La reducció del contingut d'oxigen de la gelosia, la millora de la densitat i la regulació raonable de la distribució de la segona fase a la gelosia són els principals mètodes per millorar la conductivitat tèrmica de la ceràmica de carbur de silici.
Actualment, hi ha pocs estudis sobre ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica al meu país, i encara hi ha una gran bretxa en comparació amb el nivell mundial. Les futures direccions de recerca inclouen:
●Reforçar la investigació del procés de preparació de la pols ceràmica de carbur de silici. La preparació de pols de carbur de silici d'alta puresa i baix contingut d'oxigen és la base per a la preparació de ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica;
● Reforçar la selecció d'ajudes de sinterització i la recerca teòrica relacionada;
●Reforçar la recerca i el desenvolupament d'equips de sinterització d'alta gamma. En regular el procés de sinterització per obtenir una microestructura raonable, és una condició necessària per obtenir ceràmiques de carbur de silici d'alta conductivitat tèrmica.
Mesures per millorar la conductivitat tèrmica de les ceràmiques de carbur de silici
La clau per millorar la conductivitat tèrmica de la ceràmica de SiC és reduir la freqüència de dispersió del fonó i augmentar el camí lliure mitjà del fonó. La conductivitat tèrmica del SiC es millorarà efectivament reduint la porositat i la densitat del límit del gra de la ceràmica SiC, millorant la puresa dels límits del gra de SiC, reduint les impureses de la gelosia SiC o els defectes de la gelosia i augmentant el transportador de transmissió del flux de calor en SiC. En l'actualitat, l'optimització del tipus i contingut d'ajudes de sinterització i el tractament tèrmic a alta temperatura són les principals mesures per millorar la conductivitat tèrmica de la ceràmica de SiC.
① Optimització del tipus i contingut de les ajudes de sinterització
Sovint s'afegeixen diversos ajuts de sinterització quan es preparen ceràmiques SiC d'alta conductivitat tèrmica. Entre ells, el tipus i contingut d'ajudes de sinterització tenen una gran influència en la conductivitat tèrmica de la ceràmica de SiC. Per exemple, els elements Al o O en els ajuts de sinterització del sistema Al2O3 es dissolen fàcilment a la xarxa de SiC, donant lloc a vacants i defectes, la qual cosa condueix a un augment de la freqüència de dispersió de fonons. A més, si el contingut d'auxiliars de sinterització és baix, el material és difícil de sinteritzar i densificar, mentre que un alt contingut d'auxiliars de sinterització comportarà un augment d'impureses i defectes. Els ajuts de sinterització en fase líquida excessives també poden inhibir el creixement dels grans de SiC i reduir el camí lliure mitjà dels fonons. Per tant, per preparar ceràmiques SiC d'alta conductivitat tèrmica, cal reduir el contingut d'ajudes de sinterització tant com sigui possible mentre es compleixen els requisits de densitat de sinterització i intentar triar ajudes de sinterització difícils de dissoldre a la xarxa de SiC.
*Propietats tèrmiques de la ceràmica SiC quan s'afegeixen diferents ajuts de sinterització
Actualment, les ceràmiques de SiC premsades en calent sinteritzades amb BeO com a ajuda de sinterització tenen la màxima conductivitat tèrmica a temperatura ambient (270 W·m-1·K-1). No obstant això, BeO és un material altament tòxic i cancerígen, i no és adequat per a una aplicació generalitzada en laboratoris o camps industrials. El punt eutèctic més baix del sistema Y2O3-Al2O3 és 1760 ℃, que és una ajuda de sinterització en fase líquida comú per a ceràmiques SiC. Tanmateix, com que Al3+ es dissol fàcilment a la gelosia SiC, quan aquest sistema s'utilitza com a ajuda de sinterització, la conductivitat tèrmica a temperatura ambient de la ceràmica SiC és inferior a 200 W·m-1·K-1.
Els elements de terres rares com Y, Sm, Sc, Gd i La no són fàcilment solubles a la xarxa de SiC i tenen una alta afinitat per l'oxigen, cosa que pot reduir eficaçment el contingut d'oxigen de la xarxa de SiC. Per tant, el sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) és una ajuda de sinterització habitual per preparar ceràmiques de SiC d'alta conductivitat tèrmica (>200W·m-1·K-1). Prenent com a exemple l'ajuda de sinterització del sistema Y2O3-Sc2O3, el valor de desviació d'ions de Y3+ i Si4+ és gran i els dos no pateixen solució sòlida. La solubilitat de Sc en SiC pur a 1800 ~ 2600 ℃ és petita, uns (2 ~ 3) × 1017 àtoms · cm-3.
② Tractament tèrmic d'alta temperatura
El tractament tèrmic a alta temperatura de la ceràmica de SiC afavoreix l'eliminació de defectes de gelosia, dislocacions i tensions residuals, afavorint la transformació estructural d'alguns materials amorfs en cristalls i debilitant l'efecte de dispersió de fonons. A més, el tractament tèrmic a alta temperatura pot promoure eficaçment el creixement dels grans de SiC i, finalment, millorar les propietats tèrmiques del material. Per exemple, després d'un tractament tèrmic a alta temperatura a 1950 °C, el coeficient de difusió tèrmica de la ceràmica SiC va augmentar de 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1 i la conductivitat tèrmica a temperatura ambient va augmentar de 180,94W·m -1·K-1 a 192,17W·m-1·K-1. El tractament tèrmic a alta temperatura millora eficaçment la capacitat de desoxidació de l'ajuda de sinterització a la superfície i la gelosia de SiC i fa que la connexió entre els grans de SiC sigui més estreta. Després del tractament tèrmic a alta temperatura, la conductivitat tèrmica a temperatura ambient de la ceràmica SiC s'ha millorat significativament.
Hora de publicació: 24-octubre-2024