For tiden,siliciumcarbid (SiC)er et termisk ledende keramisk materiale, der aktivt studeres i ind- og udland. Den teoretiske termiske ledningsevne af SiC er meget høj, og nogle krystalformer kan nå 270W/mK, hvilket allerede er førende blandt ikke-ledende materialer. For eksempel kan anvendelsen af SiC termisk ledningsevne ses i substratmaterialerne i halvlederenheder, keramiske materialer med høj termisk ledningsevne, varmeapparater og varmeplader til halvlederbehandling, kapselmaterialer til nukleart brændsel og gastætningsringe til kompressorpumper.
Anvendelse afsiliciumcarbidi halvlederfeltet
Slibeskiver og fiksturer er vigtigt procesudstyr til produktion af siliciumwafer i halvlederindustrien. Hvis slibeskiven er lavet af støbejern eller kulstofstål, er dens levetid kort, og dens termiske udvidelseskoefficient er stor. Under behandlingen af siliciumwafers, især under højhastighedsslibning eller polering, på grund af slid og termisk deformation af slibeskiven, er siliciumwaferens fladhed og parallelitet vanskelig at garantere. Slibeskiven lavet afsiliciumcarbid keramikhar lavt slid på grund af dens høje hårdhed, og dens termiske udvidelseskoefficient er stort set den samme som siliciumwafers, så den kan slibes og poleres ved høj hastighed.
Når siliciumwafers produceres, skal de desuden undergå varmebehandling ved høj temperatur og transporteres ofte ved hjælp af siliciumcarbidarmaturer. De er varmebestandige og ikke-destruktive. Diamantlignende kulstof (DLC) og andre belægninger kan påføres på overfladen for at forbedre ydeevnen, lindre waferskader og forhindre forurening i at sprede sig.
Som repræsentant for tredjegenerations halvledermaterialer med bred båndgab har siliciumcarbid-enkeltkrystalmaterialer egenskaber såsom stor båndgab-bredde (ca. 3 gange større end Si), høj termisk ledningsevne (ca. 3,3 gange større end Si eller 10 gange større end Si). den for GaAs), høj migrationshastighed for elektronmætning (ca. 2,5 gange den for Si) og høj nedbrydning af elektrisk felt (ca. 10 gange den for Si eller 5 gange den for GaAs). SiC-enheder kompenserer for defekterne ved traditionelle halvledermateriale-enheder i praktiske applikationer og er gradvist ved at blive hovedstrømmen af effekthalvledere.
Efterspørgslen efter siliciumcarbidkeramik med høj termisk ledningsevne er steget dramatisk
Med den kontinuerlige udvikling af videnskab og teknologi er efterspørgslen efter anvendelse af siliciumcarbidkeramik i halvlederområdet steget dramatisk, og høj termisk ledningsevne er en nøgleindikator for dens anvendelse i komponenter til halvlederfremstillingsudstyr. Derfor er det afgørende at styrke forskningen i siliciumcarbidkeramik med høj varmeledningsevne. Reduktion af gitterets iltindhold, forbedring af tætheden og rimelig regulering af fordelingen af den anden fase i gitteret er de vigtigste metoder til at forbedre den termiske ledningsevne af siliciumcarbidkeramik.
På nuværende tidspunkt er der få undersøgelser af siliciumcarbidkeramik med høj termisk ledningsevne i mit land, og der er stadig et stort hul i forhold til verdensniveau. Fremtidige forskningsretninger omfatter:
●Styrk forberedelsesprocessen forskning af siliciumcarbid keramisk pulver. Fremstillingen af siliciumcarbidpulver med høj renhed og lavt iltindhold er grundlaget for fremstilling af siliciumcarbidkeramik med høj termisk ledningsevne;
● Styrke udvælgelsen af sintringshjælpemidler og relateret teoretisk forskning;
●Styrk forskning og udvikling af avanceret sintringsudstyr. Ved at regulere sintringsprocessen for at opnå en rimelig mikrostruktur er det en nødvendig betingelse at opnå siliciumcarbidkeramik med høj termisk ledningsevne.
Foranstaltninger til forbedring af den termiske ledningsevne af siliciumcarbidkeramik
Nøglen til at forbedre den termiske ledningsevne af SiC-keramik er at reducere fononspredningsfrekvensen og øge fononmiddelfri vej. Den termiske ledningsevne af SiC vil blive effektivt forbedret ved at reducere porøsiteten og korngrænsedensiteten af SiC-keramik, forbedre renheden af SiC-korngrænser, reducere SiC-gitterurenheder eller gitterdefekter og øge varmestrømningstransmissionsbæreren i SiC. På nuværende tidspunkt er optimering af typen og indholdet af sintringshjælpemidler og højtemperatur varmebehandling de vigtigste foranstaltninger til at forbedre den termiske ledningsevne af SiC-keramik.
① Optimering af typen og indholdet af sintringshjælpemidler
Forskellige sintringshjælpemidler tilføjes ofte ved fremstilling af SiC-keramik med høj termisk ledningsevne. Blandt dem har typen og indholdet af sintringshjælpemidler stor indflydelse på SiC-keramikkens termiske ledningsevne. For eksempel opløses Al- eller O-elementer i Al2O3-systemets sintringshjælpemidler let i SiC-gitteret, hvilket resulterer i tomrum og defekter, hvilket fører til en stigning i fononspredningsfrekvensen. Hvis indholdet af sintringshjælpemidler er lavt, er materialet desuden svært at sintre og fortætte, mens et højt indhold af sintringshjælpemidler vil føre til en stigning i urenheder og defekter. Overdreven væskefasesintringshjælpemidler kan også hæmme væksten af SiC-korn og reducere den gennemsnitlige frie vej for fononer. For at fremstille SiC-keramik med høj termisk ledningsevne er det derfor nødvendigt at reducere indholdet af sintringshjælpemidler så meget som muligt, samtidig med at kravene til sintringstæthed opfyldes, og forsøge at vælge sintringshjælpemidler, der er svære at opløse i SiC-gitteret.
*Termiske egenskaber af SiC-keramik, når forskellige sintringshjælpemidler tilføjes
I øjeblikket har varmpresset SiC-keramik sintret med BeO som sintringshjælp den maksimale termiske ledningsevne ved stuetemperatur (270W·m-1·K-1). BeO er dog et meget giftigt materiale og kræftfremkaldende og er ikke egnet til udbredt anvendelse i laboratorier eller industrielle områder. Det laveste eutektiske punkt i Y2O3-Al2O3-systemet er 1760 ℃, som er en almindelig væskefasesintringshjælp til SiC-keramik. Men da Al3+ let opløses i SiC-gitteret, når dette system bruges som sintringshjælp, er den termiske ledningsevne ved stuetemperatur for SiC-keramik mindre end 200W·m-1·K-1.
Sjældne jordarters grundstoffer som Y, Sm, Sc, Gd og La er ikke letopløselige i SiC-gitter og har høj oxygenaffinitet, hvilket effektivt kan reducere oxygenindholdet i SiC-gitter. Derfor er Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) system et almindeligt sintringshjælpemiddel til fremstilling af høj termisk ledningsevne (>200W·m-1·K-1) SiC-keramik. Tager man Y2O3-Sc2O3-systemet sintringshjælpemiddel som et eksempel, er ionafvigelsesværdien for Y3+ og Si4+ stor, og de to gennemgår ikke fast opløsning. Opløseligheden af Sc i ren SiC ved 1800~2600℃ er lille, ca. (2~3)×1017atomer·cm-3.
② Højtemperatur varmebehandling
Højtemperatur varmebehandling af SiC keramik er befordrende for at eliminere gitterdefekter, dislokationer og resterende spændinger, fremme den strukturelle transformation af nogle amorfe materialer til krystaller og svække fononspredningseffekten. Derudover kan højtemperatur varmebehandling effektivt fremme væksten af SiC-korn og i sidste ende forbedre materialets termiske egenskaber. For eksempel, efter højtemperatur-varmebehandling ved 1950°C, steg den termiske diffusionskoefficient for SiC-keramik fra 83,03 mm2·s-1 til 89,50 mm2·s-1, og den termiske ledningsevne ved stuetemperatur steg fra 180,94W·m -1·K-1 til 192,17W·m-1·K-1. Varmebehandling ved høj temperatur forbedrer effektivt sintringshjælpemidlets deoxidationsevne på SiC-overfladen og -gitteret og gør forbindelsen mellem SiC-korn tættere. Efter varmebehandling ved høj temperatur er den termiske ledningsevne ved stuetemperatur af SiC-keramik blevet væsentligt forbedret.
Indlægstid: 24. oktober 2024