Tällä hetkellä,piikarbidi (SiC)on lämpöä johtava keraaminen materiaali, jota tutkitaan aktiivisesti kotimaassa ja ulkomailla. SiC:n teoreettinen lämmönjohtavuus on erittäin korkea, ja jotkut kidemuodot voivat saavuttaa arvon 270 W/mK, mikä on jo johtava johtamattomien materiaalien joukossa. SiC-lämmönjohtavuuden sovellus näkyy esimerkiksi puolijohdelaitteiden substraattimateriaaleissa, korkean lämmönjohtavuuden omaavissa keraamisissa materiaaleissa, puolijohteiden käsittelyyn tarkoitettujen lämmittimien ja lämmityslevyjen, ydinpolttoaineen kapselimateriaalien sekä kompressoripumppujen kaasutiivisterenkaissa.
Sovelluspiikarbidipuolijohdekentässä
Hiomalevyt ja kiinnikkeet ovat tärkeitä prosessilaitteita piikiekkojen valmistuksessa puolijohdeteollisuudessa. Jos hiomalaikka on valmistettu valuraudasta tai hiiliteräksestä, sen käyttöikä on lyhyt ja lämpölaajenemiskerroin suuri. Piikiekkojen käsittelyn aikana, erityisesti nopean hionnan tai kiillotuksen aikana, hiomalevyn kulumisen ja lämpömuodonmuutoksen vuoksi piikiekon tasaisuutta ja yhdensuuntaisuutta on vaikea taata. Hiomalaikka valmistettupiikarbidikeramiikkakuluu vähän korkean kovuuden vuoksi ja sen lämpölaajenemiskerroin on periaatteessa sama kuin piikiekkojen, joten se voidaan hioa ja kiillottaa suurella nopeudella.
Lisäksi, kun piikiekkoja valmistetaan, niille on suoritettava lämpökäsittely korkeassa lämpötilassa, ja ne kuljetetaan usein piikarbidivalaisimilla. Ne ovat lämmönkestäviä ja vaurioittamattomia. Timantin kaltaista hiiltä (DLC) ja muita pinnoitteita voidaan levittää pinnalle suorituskyvyn parantamiseksi, kiekkojen vaurioiden lievittämiseksi ja kontaminaation leviämisen estämiseksi.
Lisäksi kolmannen sukupolven laajakaistaisten puolijohdemateriaalien edustajana piikarbidi-yksikidemateriaaleilla on ominaisuuksia, kuten suuri kaistaleveys (noin 3 kertaa Si:n leveys), korkea lämmönjohtavuus (noin 3,3 kertaa Si:n tai 10 kertaa suurempi). GaAs:n nopeus), korkea elektronien saturaatiomigraationopeus (noin 2,5 kertaa Si:n verrattuna) ja voimakas läpilyöntisähkökenttä (noin 10 kertaa Si:n tai 5:n). kertaa GaAs). SiC-laitteet korvaavat perinteisten puolijohdemateriaalilaitteiden viat käytännön sovelluksissa, ja niistä on vähitellen tulossa tehopuolijohteiden valtavirta.
Korkean lämmönjohtavuuden omaavan piikarbidikeramiikan kysyntä on lisääntynyt dramaattisesti
Tieteen ja tekniikan jatkuvan kehityksen myötä piikarbidikeramiikan kysyntä puolijohdealalla on lisääntynyt dramaattisesti, ja korkea lämmönjohtavuus on keskeinen indikaattori sen soveltamiselle puolijohteiden valmistuslaitteiden komponenteissa. Siksi on ratkaisevan tärkeää vahvistaa korkean lämmönjohtavuuden omaavan piikarbidikeramiikan tutkimusta. Hilan happipitoisuuden vähentäminen, tiheyden parantaminen ja toisen faasin jakautumisen järkevä säätäminen hilassa ovat tärkeimmät menetelmät piikarbidikeramiikan lämmönjohtavuuden parantamiseksi.
Tällä hetkellä maassani on vähän tutkimuksia korkean lämmönjohtavuuden omaavasta piikarbidikeramiikasta, ja ero maailman tasosta on edelleen suuri. Tulevaisuuden tutkimussuuntia ovat mm.
● Vahvista piikarbidikeraamisen jauheen valmistusprosessitutkimusta. Erittäin puhtaan, vähän happipitoisen piikarbidijauheen valmistus on korkean lämmönjohtavuuden omaavan piikarbidikeramiikan valmistuksen perusta;
● Vahvistaa sintrausapuvälineiden valikoimaa ja niihin liittyvää teoreettista tutkimusta;
● Vahvistaa huippuluokan sintrauslaitteiden tutkimusta ja kehitystä. Säätelemällä sintrausprosessia kohtuullisen mikrorakenteen saamiseksi, se on välttämätön edellytys korkean lämmönjohtavuuden omaaville piikarbidikeramiikan saamiseksi.
Toimenpiteet piikarbidikeramiikan lämmönjohtavuuden parantamiseksi
Avain SiC-keramiikan lämmönjohtavuuden parantamiseen on vähentää fononien sirontataajuutta ja lisätä fononin keskimääräistä vapaata polkua. SiC:n lämmönjohtavuutta parannetaan tehokkaasti vähentämällä piikarbidikeramiikan huokoisuutta ja raerajatiheyttä, parantamalla piikarbidin raerajojen puhtautta, vähentämällä piikarbidin hilaepäpuhtauksia tai hilavirheitä sekä lisäämällä lämpövirran välityskykyä piikarbidissa. Tällä hetkellä sintrausapuaineiden tyypin ja sisällön optimointi sekä korkean lämpötilan lämpökäsittely ovat tärkeimmät toimenpiteet piikarbidikeramiikan lämmönjohtavuuden parantamiseksi.
① Sintrausapuaineiden tyypin ja sisällön optimointi
Erilaisia sintrausapuaineita lisätään usein valmistettaessa korkean lämmönjohtavuuden omaavaa SiC-keramiikkaa. Niistä sintrausapuaineiden tyypillä ja sisällöllä on suuri vaikutus piikarbidikeramiikan lämmönjohtavuuteen. Esimerkiksi Al2O3-järjestelmän sintrausapuaineiden Al- tai O-elementit liukenevat helposti SiC-hilaan, jolloin syntyy tyhjiä paikkoja ja vikoja, mikä johtaa fononien sirontataajuuden kasvuun. Lisäksi, jos sintrausapuaineiden pitoisuus on alhainen, materiaalia on vaikea sintrata ja tiivistyä, kun taas sintrausapuaineiden korkea pitoisuus johtaa epäpuhtauksien ja vikojen lisääntymiseen. Liialliset nestefaasisintrausapuaineet voivat myös estää piikarbidirakeiden kasvua ja vähentää fononien keskimääräistä vapaata polkua. Siksi korkean lämmönjohtavuuden omaavan SiC-keramiikan valmistuksessa on välttämätöntä vähentää sintrausapuaineiden pitoisuutta mahdollisimman paljon täyttäen samalla sintraustiheyden vaatimukset ja pyrkiä valitsemaan SiC-hilassa vaikeasti liukenevia sintrausapuaineita.
*SiC-keramiikan lämpöominaisuudet, kun erilaisia sintrausapuaineita lisätään
Tällä hetkellä BeO:lla sintrausapuaineena sintratulla kuumapuristetulla piikarbidikeramiikalla on suurin huoneenlämpöinen lämmönjohtavuus (270W·m-1·K-1). BeO on kuitenkin erittäin myrkyllinen ja karsinogeeninen materiaali, eikä se sovellu laajaan käyttöön laboratorioissa tai teollisuudessa. Y2O3-Al2O3-järjestelmän alin eutektinen piste on 1760 ℃, mikä on yleinen nestefaasisintrausapuaine piikarbidikeramiikassa. Kuitenkin, koska Al3+ liukenee helposti SiC-hilaan, kun tätä järjestelmää käytetään sintrausapuaineena, SiC-keramiikan lämmönjohtavuus huoneenlämpötilassa on alle 200W·m-1·K-1.
Harvinaiset maametallit, kuten Y, Sm, Sc, Gd ja La, eivät liukene helposti SiC-hilaan ja niillä on korkea happiaffiniteetti, mikä voi tehokkaasti vähentää SiC-hilan happipitoisuutta. Siksi Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) järjestelmä on yleinen sintrausapu korkean lämmönjohtavuuden (>200W·m-1·K-1) SiC-keramiikan valmistuksessa. Esimerkkinä Y2O3-Sc2O3-järjestelmän sintrausapuaine, Y3+:n ja Si4+:n ionipoikkeamaarvo on suuri, eivätkä ne kaksi liukene kiinteästi. Sc:n liukoisuus puhtaaseen piikarbidiin lämpötilassa 1800-2600 ℃ on pieni, noin (2-3) × 1017 atomia·cm-3.
② Korkean lämpötilan lämpökäsittely
SiC-keramiikan lämpökäsittely korkeassa lämpötilassa auttaa poistamaan hilaviat, sijoiltaan ja jäännösjännitykset, edistämään joidenkin amorfisten materiaalien rakenteellista muuttumista kiteiksi ja heikentämään fononien sirontavaikutusta. Lisäksi korkean lämpötilan lämpökäsittely voi tehokkaasti edistää piikarbidirakeiden kasvua ja viime kädessä parantaa materiaalin lämpöominaisuuksia. Esimerkiksi korkean lämpötilan lämpökäsittelyn 1950 °C:ssa jälkeen piikarbidikeramiikan lämpödiffuusiokerroin nousi arvosta 83,03 mm2·s-1 arvoon 89,50 mm2·s-1, ja lämmönjohtavuus huonelämpötilassa kasvoi 180,94 W·m:stä. -1·K-1 - 192,17 W·m-1·K-1. Korkean lämpötilan lämpökäsittely parantaa tehokkaasti sintrausapuaineen hapettumiskykyä piikarbidin pinnalla ja hilassa ja tiivistää piikarbidin rakeiden välistä yhteyttä. Korkean lämpötilan lämpökäsittelyn jälkeen SiC-keramiikan huoneenlämpöinen lämmönjohtavuus on parantunut merkittävästi.
Postitusaika: 24.10.2024