Τη στιγμή,καρβίδιο του πυριτίου (SiC)είναι ένα θερμικά αγώγιμο κεραμικό υλικό που μελετάται ενεργά στο εσωτερικό και στο εξωτερικό. Η θεωρητική θερμική αγωγιμότητα του SiC είναι πολύ υψηλή και ορισμένες κρυσταλλικές μορφές μπορούν να φτάσουν τα 270 W/mK, κάτι που είναι ήδη ηγέτης μεταξύ των μη αγώγιμων υλικών. Για παράδειγμα, η εφαρμογή της θερμικής αγωγιμότητας SiC μπορεί να φανεί στα υλικά υποστρώματος συσκευών ημιαγωγών, κεραμικά υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, θερμαντήρες και θερμαντικές πλάκες για επεξεργασία ημιαγωγών, υλικά κάψουλας για πυρηνικά καύσιμα και δακτυλίους στεγανοποίησης αερίου για αντλίες συμπιεστή.
Εφαρμογή τουκαρβίδιο του πυριτίουστον τομέα των ημιαγωγών
Οι δίσκοι και τα εξαρτήματα λείανσης είναι σημαντικός εξοπλισμός διεργασιών για την παραγωγή πλακιδίων πυριτίου στη βιομηχανία ημιαγωγών. Εάν ο δίσκος λείανσης είναι κατασκευασμένος από χυτοσίδηρο ή ανθρακούχο χάλυβα, η διάρκεια ζωής του είναι μικρή και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του μεγάλος. Κατά την επεξεργασία των πλακών πυριτίου, ειδικά κατά τη διάρκεια λείανσης ή στίλβωσης υψηλής ταχύτητας, λόγω της φθοράς και της θερμικής παραμόρφωσης του δίσκου λείανσης, είναι δύσκολο να εξασφαλιστεί η επιπεδότητα και ο παραλληλισμός του πλακιδίου πυριτίου. Ο δίσκος λείανσης απόκεραμικά καρβιδίου του πυριτίουέχει χαμηλή φθορά λόγω της υψηλής σκληρότητάς του και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι βασικά ο ίδιος με αυτόν των πλακών πυριτίου, έτσι ώστε να μπορεί να λειανθεί και να γυαλιστεί με υψηλή ταχύτητα.
Επιπλέον, όταν παράγονται γκοφρέτες πυριτίου, πρέπει να υποβληθούν σε θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία και συχνά μεταφέρονται χρησιμοποιώντας εξαρτήματα καρβιδίου του πυριτίου. Είναι ανθεκτικά στη θερμότητα και μη καταστροφικά. Ο άνθρακας που μοιάζει με διαμάντι (DLC) και άλλες επικαλύψεις μπορούν να εφαρμοστούν στην επιφάνεια για να βελτιώσουν την απόδοση, να ανακουφίσουν τη ζημιά των πλακιδίων και να αποτρέψουν την εξάπλωση της μόλυνσης.
Επιπλέον, ως εκπρόσωπος των ημιαγωγών υλικών μεγάλης ζώνης τρίτης γενιάς, τα μονοκρυσταλλικά υλικά καρβιδίου του πυριτίου έχουν ιδιότητες όπως μεγάλο πλάτος διάκενου ζώνης (περίπου 3 φορές αυτό του Si), υψηλή θερμική αγωγιμότητα (περίπου 3,3 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Si ή 10 φορές αυτό του GaAs), υψηλός ρυθμός μετανάστευσης κορεσμού ηλεκτρονίων (περίπου 2,5 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του Si) και ηλεκτρικό πεδίο υψηλής διάσπασης (περίπου 10 φορές αυτό του Si ή 5 φορές αυτό του GaAs). Οι συσκευές SiC καλύπτουν τα ελαττώματα των παραδοσιακών συσκευών ημιαγωγού υλικού σε πρακτικές εφαρμογές και σταδιακά γίνονται το κύριο ρεύμα ημιαγωγών ισχύος.
Η ζήτηση για κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας έχει αυξηθεί δραματικά
Με τη συνεχή ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, η ζήτηση για την εφαρμογή κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου στον τομέα των ημιαγωγών έχει αυξηθεί δραματικά και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα αποτελεί βασικό δείκτη για την εφαρμογή της σε εξαρτήματα εξοπλισμού κατασκευής ημιαγωγών. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να ενισχυθεί η έρευνα για τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Η μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο του πλέγματος, η βελτίωση της πυκνότητας και η λογική ρύθμιση της κατανομής της δεύτερης φάσης στο πλέγμα είναι οι κύριες μέθοδοι για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου.
Προς το παρόν, υπάρχουν λίγες μελέτες για κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας στη χώρα μου και εξακολουθεί να υπάρχει μεγάλο κενό σε σύγκριση με το παγκόσμιο επίπεδο. Οι μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας περιλαμβάνουν:
●Ενίσχυση της έρευνας διαδικασίας παρασκευής κεραμικής σκόνης καρβιδίου του πυριτίου. Η παρασκευή σκόνης καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας, χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο είναι η βάση για την παρασκευή κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.
● Ενίσχυση της επιλογής των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης και της σχετικής θεωρητικής έρευνας.
●Ενίσχυση της έρευνας και ανάπτυξης εξοπλισμού πυροσυσσωμάτωσης υψηλών προδιαγραφών. Ρυθμίζοντας τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης για τη λήψη μιας λογικής μικροδομής, είναι απαραίτητη προϋπόθεση η λήψη κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.
Μέτρα για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου
Το κλειδί για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών SiC είναι η μείωση της συχνότητας σκέδασης των φωνονίων και η αύξηση της μέσης ελεύθερης διαδρομής των φωνονίων. Η θερμική αγωγιμότητα του SiC θα βελτιωθεί αποτελεσματικά με τη μείωση του πορώδους και της οριακής πυκνότητας κόκκων των κεραμικών SiC, βελτιώνοντας την καθαρότητα των ορίων κόκκων SiC, μειώνοντας τις ακαθαρσίες του πλέγματος SiC ή τα ελαττώματα του πλέγματος και αυξάνοντας τον φορέα μετάδοσης ροής θερμότητας στο SiC. Επί του παρόντος, η βελτιστοποίηση του τύπου και του περιεχομένου των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης και η θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία είναι τα κύρια μέτρα για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών SiC.
① Βελτιστοποίηση του τύπου και του περιεχομένου των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης
Συχνά προστίθενται διάφορα βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης κατά την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Μεταξύ αυτών, ο τύπος και το περιεχόμενο των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης έχουν μεγάλη επίδραση στη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών SiC. Για παράδειγμα, στοιχεία Al ή O στα βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης του συστήματος Al2O3 διαλύονται εύκολα στο πλέγμα SiC, με αποτέλεσμα κενά και ελαττώματα, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της συχνότητας σκέδασης φωνονίων. Επιπλέον, εάν η περιεκτικότητα σε βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης είναι χαμηλή, το υλικό είναι δύσκολο να πυροσυσσωματωθεί και να συμπυκνωθεί, ενώ η υψηλή περιεκτικότητα σε βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης θα οδηγήσει σε αύξηση των ακαθαρσιών και των ελαττωμάτων. Τα υπερβολικά βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης υγρής φάσης μπορεί επίσης να αναστείλουν την ανάπτυξη κόκκων SiC και να μειώσουν τη μέση ελεύθερη διαδρομή των φωνονίων. Επομένως, για να παρασκευαστούν κεραμικά SiC υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, είναι απαραίτητο να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η περιεκτικότητα των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης ενώ πληρούνται οι απαιτήσεις της πυκνότητας πυροσυσσωμάτωσης και να προσπαθήσουμε να επιλέξουμε βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης που είναι δύσκολο να διαλυθούν στο πλέγμα SiC.
*Θερμικές ιδιότητες των κεραμικών SiC όταν προστίθενται διαφορετικά βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης
Επί του παρόντος, τα θερμής συμπίεσης κεραμικά SiC που έχουν πυροσυσσωματωθεί με BeO ως βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης έχουν τη μέγιστη θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου (270W·m-1·K-1). Ωστόσο, το BeO είναι ένα εξαιρετικά τοξικό υλικό και καρκινογόνο και δεν είναι κατάλληλο για ευρεία εφαρμογή σε εργαστήρια ή βιομηχανικούς τομείς. Το χαμηλότερο ευτηκτικό σημείο του συστήματος Y2O3-Al2O3 είναι 1760℃, το οποίο είναι ένα κοινό βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης υγρής φάσης για κεραμικά SiC. Ωστόσο, δεδομένου ότι το Al3+ διαλύεται εύκολα στο πλέγμα SiC, όταν αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται ως βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης, η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου των κεραμικών SiC είναι μικρότερη από 200W·m-1·K-1.
Στοιχεία σπανίων γαιών όπως τα Y, Sm, Sc, Gd και La δεν είναι εύκολα διαλυτά στο πλέγμα SiC και έχουν υψηλή συγγένεια οξυγόνου, η οποία μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε οξυγόνο του πλέγματος SiC. Επομένως, το σύστημα Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) είναι ένα κοινό βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης για την παρασκευή κεραμικών SiC υψηλής θερμικής αγωγιμότητας (>200W·m-1·K-1). Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης του συστήματος Y2O3-Sc2O3, η τιμή απόκλισης ιόντων των Y3+ και Si4+ είναι μεγάλη και τα δύο δεν υφίστανται στερεό διάλυμα. Η διαλυτότητα του Sc σε καθαρό SiC στους 1800~2600℃ είναι μικρή, περίπου (2~3)×1017άτομα·cm-3.
② Θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας
Η θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας των κεραμικών SiC συμβάλλει στην εξάλειψη των ελαττωμάτων του πλέγματος, των εξαρθρώσεων και των υπολειμματικών τάσεων, προάγοντας τη δομική μετατροπή ορισμένων άμορφων υλικών σε κρυστάλλους και αποδυνάμωση του φαινομένου σκέδασης φωνονίων. Επιπλέον, η θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί να προωθήσει αποτελεσματικά την ανάπτυξη κόκκων SiC και τελικά να βελτιώσει τις θερμικές ιδιότητες του υλικού. Για παράδειγμα, μετά από θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία στους 1950°C, ο συντελεστής θερμικής διάχυσης των κεραμικών SiC αυξήθηκε από 83,03 mm2·s-1 σε 89,50 mm2·s-1, και η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου αυξήθηκε από 180,94 W·m -1·K-1 έως 192,17W·m-1·K-1. Η θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας βελτιώνει αποτελεσματικά την ικανότητα αποξείδωσης του βοηθήματος πυροσυσσωμάτωσης στην επιφάνεια και το πλέγμα SiC και καθιστά τη σύνδεση μεταξύ των κόκκων SiC πιο στενή. Μετά από θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία, η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου των κεραμικών SiC έχει βελτιωθεί σημαντικά.
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-24-2024