Actualmente,carburo de silicio (SiC)es un material cerámico termoconductor que se estudia activamente en el país y en el extranjero. La conductividad térmica teórica del SiC es muy alta y algunas formas cristalinas pueden alcanzar los 270 W/mK, lo que ya es líder entre los materiales no conductores. Por ejemplo, la aplicación de la conductividad térmica de SiC se puede ver en los materiales de sustrato de dispositivos semiconductores, materiales cerámicos de alta conductividad térmica, calentadores y placas calefactoras para procesamiento de semiconductores, materiales de cápsulas para combustible nuclear y anillos de sellado de gas para bombas de compresores.
Aplicación decarburo de silicioen el campo de los semiconductores
Los discos abrasivos y los accesorios son equipos de proceso importantes para la producción de obleas de silicio en la industria de semiconductores. Si el disco abrasivo está hecho de hierro fundido o acero al carbono, su vida útil es corta y su coeficiente de expansión térmica es grande. Durante el procesamiento de obleas de silicio, especialmente durante el esmerilado o pulido a alta velocidad, debido al desgaste y la deformación térmica del disco abrasivo, es difícil garantizar la planitud y el paralelismo de la oblea de silicio. El disco abrasivo hecho decerámicas de carburo de siliciotiene poco desgaste debido a su alta dureza y su coeficiente de expansión térmica es básicamente el mismo que el de las obleas de silicio, por lo que se puede esmerilar y pulir a alta velocidad.
Además, cuando se producen obleas de silicio, deben someterse a un tratamiento térmico a alta temperatura y, a menudo, se transportan utilizando accesorios de carburo de silicio. Son resistentes al calor y no destructivos. Se pueden aplicar carbono similar al diamante (DLC) y otros recubrimientos en la superficie para mejorar el rendimiento, aliviar el daño de las obleas y evitar que la contaminación se propague.
Además, como representante de los materiales semiconductores de banda prohibida ancha de tercera generación, los materiales monocristalinos de carburo de silicio tienen propiedades tales como una gran anchura de banda prohibida (aproximadamente 3 veces la del Si), alta conductividad térmica (aproximadamente 3,3 veces la del Si o 10 veces la del Si). la del GaAs), alta tasa de migración de saturación de electrones (aproximadamente 2,5 veces la del Si) y alto campo eléctrico de ruptura (aproximadamente 10 veces la del Si o 5 veces la del GaAs). Los dispositivos de SiC compensan los defectos de los dispositivos de materiales semiconductores tradicionales en aplicaciones prácticas y se están convirtiendo gradualmente en la corriente principal de los semiconductores de potencia.
La demanda de cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica ha aumentado drásticamente
Con el continuo desarrollo de la ciencia y la tecnología, la demanda de la aplicación de cerámicas de carburo de silicio en el campo de los semiconductores ha aumentado dramáticamente, y la alta conductividad térmica es un indicador clave para su aplicación en componentes de equipos de fabricación de semiconductores. Por lo tanto, es fundamental fortalecer la investigación sobre cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica. Reducir el contenido de oxígeno de la red, mejorar la densidad y regular razonablemente la distribución de la segunda fase en la red son los principales métodos para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de carburo de silicio.
En la actualidad, existen pocos estudios sobre cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica en mi país y todavía existe una gran brecha en comparación con el nivel mundial. Las direcciones de investigación futuras incluyen:
●Fortalecer la investigación del proceso de preparación del polvo cerámico de carburo de silicio. La preparación de polvo de carburo de silicio de alta pureza y bajo contenido de oxígeno es la base para la preparación de cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica;
● Fortalecer la selección de auxiliares de sinterización y la investigación teórica relacionada;
●Fortalecer la investigación y el desarrollo de equipos de sinterización de alta gama. La regulación del proceso de sinterización para obtener una microestructura razonable es una condición necesaria para obtener cerámicas de carburo de silicio de alta conductividad térmica.
Medidas para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de carburo de silicio.
La clave para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de SiC es reducir la frecuencia de dispersión de fonones y aumentar el camino libre medio de los fonones. La conductividad térmica del SiC se mejorará efectivamente al reducir la porosidad y la densidad de los límites de grano de las cerámicas de SiC, mejorar la pureza de los límites de los granos de SiC, reducir las impurezas o los defectos de la red de SiC y aumentar el portador de transmisión del flujo de calor en SiC. Actualmente, la optimización del tipo y el contenido de coadyuvantes de sinterización y el tratamiento térmico a alta temperatura son las principales medidas para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de SiC.
① Optimización del tipo y contenido de los auxiliares de sinterización
A menudo se añaden diversos coadyuvantes de sinterización al preparar cerámicas de SiC de alta conductividad térmica. Entre ellos, el tipo y el contenido de coadyuvantes de sinterización tienen una gran influencia en la conductividad térmica de las cerámicas de SiC. Por ejemplo, los elementos Al u O en los auxiliares de sinterización del sistema Al2O3 se disuelven fácilmente en la red de SiC, lo que produce vacantes y defectos, lo que conduce a un aumento en la frecuencia de dispersión de fonones. Además, si el contenido de coadyuvantes de sinterización es bajo, el material es difícil de sinterizar y densificar, mientras que un contenido elevado de coadyuvantes de sinterización conducirá a un aumento de impurezas y defectos. Un exceso de auxiliares de sinterización en fase líquida también puede inhibir el crecimiento de granos de SiC y reducir el camino libre medio de los fonones. Por lo tanto, para preparar cerámicas de SiC de alta conductividad térmica, es necesario reducir el contenido de coadyuvantes de sinterización tanto como sea posible cumpliendo con los requisitos de densidad de sinterización, y tratar de elegir coadyuvantes de sinterización que sean difíciles de disolver en la red de SiC.
*Propiedades térmicas de las cerámicas de SiC cuando se añaden diferentes coadyuvantes de sinterización
Actualmente, las cerámicas de SiC prensadas en caliente y sinterizadas con BeO como coadyuvante de sinterización tienen la conductividad térmica máxima a temperatura ambiente (270W·m-1·K-1). Sin embargo, el BeO es un material altamente tóxico y cancerígeno, y no es adecuado para una aplicación generalizada en laboratorios o campos industriales. El punto eutéctico más bajo del sistema Y2O3-Al2O3 es 1760 ℃, que es una ayuda de sinterización en fase líquida común para cerámicas de SiC. Sin embargo, dado que el Al3+ se disuelve fácilmente en la red de SiC, cuando este sistema se utiliza como ayuda a la sinterización, la conductividad térmica a temperatura ambiente de las cerámicas de SiC es inferior a 200 W·m-1·K-1.
Los elementos de tierras raras como Y, Sm, Sc, Gd y La no son fácilmente solubles en la red de SiC y tienen una alta afinidad por el oxígeno, lo que puede reducir eficazmente el contenido de oxígeno de la red de SiC. Por lo tanto, el sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) es una ayuda de sinterización común para preparar cerámicas de SiC de alta conductividad térmica (>200W·m-1·K-1). Tomando como ejemplo el sistema de sinterización Y2O3-Sc2O3, el valor de desviación de iones de Y3+ y Si4+ es grande y los dos no se someten a una solución sólida. La solubilidad de Sc en SiC puro a 1800~2600℃ es pequeña, aproximadamente (2~3)×1017átomos·cm-3.
② Tratamiento térmico a alta temperatura
El tratamiento térmico a alta temperatura de las cerámicas de SiC favorece la eliminación de defectos de red, dislocaciones y tensiones residuales, promueve la transformación estructural de algunos materiales amorfos en cristales y debilita el efecto de dispersión de fonones. Además, el tratamiento térmico a alta temperatura puede promover eficazmente el crecimiento de granos de SiC y, en última instancia, mejorar las propiedades térmicas del material. Por ejemplo, después del tratamiento térmico a alta temperatura a 1950°C, el coeficiente de difusión térmica de las cerámicas de SiC aumentó de 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1, y la conductividad térmica a temperatura ambiente aumentó de 180,94 W·m. -1·K-1 a 192,17W·m-1·K-1. El tratamiento térmico a alta temperatura mejora eficazmente la capacidad de desoxidación del auxiliar de sinterización en la superficie y la red de SiC, y hace que la conexión entre los granos de SiC sea más estrecha. Después del tratamiento térmico a alta temperatura, la conductividad térmica a temperatura ambiente de las cerámicas de SiC ha mejorado significativamente.
Hora de publicación: 24 de octubre de 2024