V současné době,karbid křemíku (SiC)je tepelně vodivý keramický materiál, který je aktivně studován doma i v zahraničí. Teoretická tepelná vodivost SiC je velmi vysoká a některé krystalové formy mohou dosáhnout 270 W/mK, což je již nyní lídr mezi nevodivými materiály. Použití tepelné vodivosti SiC lze vidět například v substrátových materiálech polovodičových součástek, keramických materiálech s vysokou tepelnou vodivostí, ohřívačích a topných deskách pro zpracování polovodičů, materiálech kapslí pro jaderné palivo a plynových těsnicích kroužcích pro kompresorová čerpadla.
Aplikacekarbid křemíkuv oblasti polovodičů
Brusné kotouče a přípravky jsou důležitým procesním zařízením pro výrobu křemíkových plátků v polovodičovém průmyslu. Pokud je brusný kotouč vyroben z litiny nebo uhlíkové oceli, je jeho životnost krátká a koeficient tepelné roztažnosti velký. Při zpracování křemíkových plátků, zejména při vysokorychlostním broušení nebo leštění, je v důsledku opotřebení a tepelné deformace brusného kotouče obtížně zaručena rovinnost a rovnoběžnost křemíkového plátku. Brusný kotouč vyrobený zkeramika z karbidu křemíkumá nízké opotřebení díky své vysoké tvrdosti a jeho koeficient tepelné roztažnosti je v zásadě stejný jako u křemíkových plátků, takže jej lze brousit a leštit vysokou rychlostí.
Kromě toho, když se vyrábí křemíkové destičky, musí projít vysokoteplotním tepelným zpracováním a často se přepravují pomocí přípravků z karbidu křemíku. Jsou tepelně odolné a nedestruktivní. Diamantový uhlík (DLC) a další povlaky mohou být aplikovány na povrch pro zvýšení výkonu, zmírnění poškození plátků a zabránění šíření kontaminace.
Kromě toho, jako zástupce třetí generace polovodičových materiálů se širokým pásmem, mají monokrystalické materiály z karbidu křemíku vlastnosti, jako je velká šířka pásma (asi 3krát větší než Si), vysoká tepelná vodivost (přibližně 3,3krát větší než Si nebo 10krát míra GaAs), vysoká rychlost migrace elektronového nasycení (asi 2,5krát větší než Si) a vysoké průrazné elektrické pole (přibližně 10krát větší než Si nebo 5krát větší než Si) GaAs). SiC zařízení nahrazují vady tradičních polovodičových materiálů v praktických aplikacích a postupně se stávají hlavním proudem výkonových polovodičů.
Poptávka po keramikách z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí se dramaticky zvýšila
S neustálým rozvojem vědy a technologie dramaticky vzrostla poptávka po použití keramiky z karbidu křemíku v oblasti polovodičů a vysoká tepelná vodivost je klíčovým ukazatelem pro její použití v součástech zařízení pro výrobu polovodičů. Proto je klíčové posílit výzkum keramiky z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí. Snížení obsahu kyslíku v mřížce, zlepšení hustoty a přiměřená regulace distribuce druhé fáze v mřížce jsou hlavní metody pro zlepšení tepelné vodivosti keramiky z karbidu křemíku.
V současné době existuje v mé zemi málo studií o keramice z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí a stále existuje velká mezera ve srovnání se světovou úrovní. Budoucí směry výzkumu zahrnují:
●Posílit výzkum procesu přípravy keramického prášku z karbidu křemíku. Příprava vysoce čistého prášku karbidu křemíku s nízkým obsahem kyslíku je základem pro přípravu keramiky z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí;
● Posílit výběr slinovacích pomůcek a související teoretický výzkum;
●Posílit výzkum a vývoj špičkových slinovacích zařízení. Regulací procesu slinování za účelem získání přiměřené mikrostruktury je nezbytnou podmínkou získání keramiky z karbidu křemíku s vysokou tepelnou vodivostí.
Opatření ke zlepšení tepelné vodivosti keramiky z karbidu křemíku
Klíčem ke zlepšení tepelné vodivosti SiC keramiky je snížení frekvence fononového rozptylu a zvýšení střední volné dráhy fononů. Tepelná vodivost SiC se účinně zlepší snížením pórovitosti a hustoty hranic zrn SiC keramiky, zlepšením čistoty hranic zrn SiC, snížením nečistot mřížky SiC nebo vad mřížky a zvýšením nosiče přenosu tepla v SiC. V současnosti jsou hlavními opatřeními ke zlepšení tepelné vodivosti SiC keramiky optimalizace typu a obsahu slinovacích pomocných látek a vysokoteplotní tepelné zpracování.
① Optimalizace typu a obsahu slinovacích pomůcek
Při přípravě keramiky SiC s vysokou tepelnou vodivostí se často přidávají různé pomocné slinovací přísady. Mezi nimi má velký vliv na tepelnou vodivost SiC keramiky typ a obsah slinovacích pomocných látek. Například prvky Al nebo O ve slinovacích pomůckách systému Al2O3 se snadno rozpouštějí do mřížky SiC, což vede k vakancím a defektům, což vede ke zvýšení frekvence fononového rozptylu. Kromě toho, pokud je obsah slinovacích pomocných látek nízký, materiál se obtížně slinuje a zhušťuje, zatímco vysoký obsah slinovacích pomocných látek povede ke zvýšení nečistot a defektů. Nadměrné množství pomocných slinovacích prostředků v kapalné fázi může také inhibovat růst zrn SiC a snížit střední volnou dráhu fononů. Pro přípravu SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivostí je proto nutné co nejvíce snížit obsah slinovacích pomocných látek při splnění požadavků na hustotu slinování a snažit se volit slinovací pomocné látky obtížně rozpustné v SiC mřížce.
*Tepelné vlastnosti SiC keramiky při přidání různých pomocných slinovacích přísad
V současné době má za tepla lisovaná SiC keramika slinutá s BeO jako slinovací pomůckou maximální tepelnou vodivost při pokojové teplotě (270W·m-1·K-1). BeO je však vysoce toxický a karcinogenní materiál a není vhodný pro široké použití v laboratořích nebo průmyslových oblastech. Nejnižší eutektický bod systému Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, což je běžná slinovací pomůcka pro SiC keramiku v kapalné fázi. Protože se však Al3+ snadno rozpouští v mřížce SiC, je-li tento systém použit jako pomocný slinovací prostředek, je tepelná vodivost SiC keramiky při pokojové teplotě menší než 200 W·m-1·K-1.
Prvky vzácných zemin jako Y, Sm, Sc, Gd a La nejsou snadno rozpustné v mřížce SiC a mají vysokou afinitu ke kyslíku, což může účinně snížit obsah kyslíku v mřížce SiC. Systém Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) je proto běžnou slinovací pomůckou pro přípravu SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivostí (>200W·m-1·K-1). Vezmeme-li jako příklad pomůcku pro slinování systému Y2O3-Sc2O3, hodnota odchylky iontů Y3+ a Si4+ je velká a tyto dva nepodléhají pevnému roztoku. Rozpustnost Sc v čistém SiC při 1800~2600℃ je malá, asi (2~3)x1017atomů.cm-3.
② Tepelné zpracování při vysoké teplotě
Vysokoteplotní tepelné zpracování SiC keramiky přispívá k odstranění defektů mřížky, dislokací a zbytkových napětí, podporuje strukturální transformaci některých amorfních materiálů na krystaly a zeslabuje efekt fononového rozptylu. Kromě toho může vysokoteplotní tepelné zpracování účinně podporovat růst zrn SiC a v konečném důsledku zlepšit tepelné vlastnosti materiálu. Například po vysokoteplotním tepelném zpracování při 1950 °C se koeficient tepelné difúze SiC keramiky zvýšil z 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1 a tepelná vodivost při pokojové teplotě se zvýšila z 180,94 W·m -1·K-1 až 192,17W·m-1·K-1. Vysokoteplotní tepelné zpracování účinně zlepšuje deoxidační schopnost slinovací přísady na povrchu SiC a mřížce a činí spojení mezi zrny SiC těsnější. Po vysokoteplotním tepelném zpracování se výrazně zlepšila tepelná vodivost SiC keramiky při pokojové teplotě.
Čas odeslání: 24. října 2024