Actuellement,carbure de silicium (SiC)Le carbure de silicium (SiC) est un matériau céramique thermoconducteur qui fait l'objet de recherches actives tant au niveau national qu'international. Sa conductivité thermique théorique est très élevée ; certaines formes cristallines peuvent atteindre 270 W/mK, ce qui le place parmi les matériaux non conducteurs les plus performants. On retrouve par exemple le SiC comme substrat pour dispositifs semi-conducteurs, comme matériau céramique à haute conductivité thermique, comme élément chauffant et plaque chauffante pour la fabrication de semi-conducteurs, comme matériau pour capsules de combustible nucléaire et comme joint d'étanchéité pour compresseurs.
Application decarbure de siliciumdans le domaine des semi-conducteurs
Les disques et dispositifs de meulage sont des équipements essentiels à la production de plaquettes de silicium dans l'industrie des semi-conducteurs. Si le disque de meulage est en fonte ou en acier au carbone, sa durée de vie est courte et son coefficient de dilatation thermique élevé. Lors du traitement des plaquettes de silicium, notamment lors du meulage ou du polissage à grande vitesse, l'usure et la déformation thermique du disque rendent difficile le maintien de la planéité et du parallélisme de la plaquette. Le disque de meulage en fonte ou en acier au carbone présente donc des avantages considérables.céramiques en carbure de siliciumIl présente une faible usure grâce à sa dureté élevée et son coefficient de dilatation thermique est pratiquement le même que celui des plaquettes de silicium, ce qui permet de le meuler et de le polir à grande vitesse.
De plus, lors de leur production, les plaquettes de silicium doivent subir un traitement thermique à haute température et sont souvent transportées à l'aide de supports en carbure de silicium. Elles sont résistantes à la chaleur et non destructives. Le carbone amorphe (DLC) et d'autres revêtements peuvent être appliqués en surface pour améliorer leurs performances, limiter les dommages et empêcher la propagation de la contamination.
De plus, en tant que représentant des matériaux semi-conducteurs à large bande interdite de troisième génération, le carbure de silicium monocristallin présente des propriétés telles qu'une large bande interdite (environ trois fois supérieure à celle du silicium), une conductivité thermique élevée (environ 3,3 fois supérieure à celle du silicium ou dix fois supérieure à celle de l'arséniure de gallium), un taux de migration à saturation électronique élevé (environ 2,5 fois supérieur à celui du silicium) et un champ électrique de claquage élevé (environ dix fois supérieur à celui du silicium ou cinq fois supérieur à celui de l'arséniure de gallium). Les dispositifs en SiC pallient les défauts des dispositifs en matériaux semi-conducteurs traditionnels dans les applications pratiques et s'imposent progressivement comme la technologie dominante des semi-conducteurs de puissance.
La demande en céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique a connu une augmentation spectaculaire.
Avec le développement continu des sciences et des technologies, la demande d'applications de céramiques de carbure de silicium dans le domaine des semi-conducteurs a considérablement augmenté, et une conductivité thermique élevée est un critère essentiel pour leur utilisation dans les composants des équipements de fabrication de semi-conducteurs. Il est donc crucial d'intensifier la recherche sur les céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique. La réduction de la teneur en oxygène du réseau cristallin, l'amélioration de la densité et le contrôle précis de la distribution de la seconde phase dans ce réseau constituent les principales méthodes pour améliorer la conductivité thermique des céramiques de carbure de silicium.
À l'heure actuelle, peu d'études portent sur les céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique dans mon pays, et l'écart reste important par rapport au niveau mondial. Les orientations futures de la recherche sont les suivantes :
● Renforcer la recherche sur le procédé de préparation de la poudre céramique de carbure de silicium. La préparation d'une poudre de carbure de silicium de haute pureté et à faible teneur en oxygène est la base de la préparation de céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique ;
● Renforcer la sélection des adjuvants de frittage et la recherche théorique associée ;
• Renforcer la recherche et le développement d'équipements de frittage haut de gamme. La maîtrise du processus de frittage pour obtenir une microstructure adéquate est une condition nécessaire à la production de céramiques en carbure de silicium à haute conductivité thermique.
Mesures visant à améliorer la conductivité thermique des céramiques en carbure de silicium
Pour améliorer la conductivité thermique des céramiques SiC, il est essentiel de réduire la fréquence de diffusion des phonons et d'augmenter leur libre parcours moyen. La conductivité thermique du SiC est efficacement améliorée en réduisant sa porosité et la densité de joints de grains, en améliorant la pureté de ces joints, en diminuant les impuretés et les défauts du réseau cristallin, et en augmentant la conductivité thermique. Actuellement, l'optimisation du type et de la teneur en adjuvants de frittage, ainsi que le traitement thermique à haute température, constituent les principales méthodes d'amélioration de la conductivité thermique des céramiques SiC.
① Optimisation du type et de la teneur en adjuvants de frittage
Divers adjuvants de frittage sont souvent ajoutés lors de la préparation de céramiques SiC à haute conductivité thermique. Parmi ceux-ci, le type et la teneur de ces adjuvants influencent fortement la conductivité thermique des céramiques SiC. Par exemple, les éléments Al ou O présents dans les adjuvants de frittage du système Al₂O₃ se dissolvent facilement dans le réseau cristallin du SiC, créant des lacunes et des défauts qui entraînent une augmentation de la fréquence de diffusion des phonons. De plus, une faible teneur en adjuvants de frittage rend le frittage et la densification du matériau difficiles, tandis qu'une teneur élevée conduit à une augmentation des impuretés et des défauts. Un excès d'adjuvants de frittage en phase liquide peut également inhiber la croissance des grains de SiC et réduire le libre parcours moyen des phonons. Par conséquent, afin de préparer des céramiques SiC à haute conductivité thermique, il est nécessaire de réduire autant que possible la teneur en agents de frittage tout en respectant les exigences de densité de frittage, et d'essayer de choisir des agents de frittage difficiles à dissoudre dans le réseau SiC.
Propriétés thermiques des céramiques SiC en fonction de l'ajout de différents adjuvants de frittage
Actuellement, les céramiques SiC pressées à chaud et frittées avec BeO comme adjuvant de frittage présentent la conductivité thermique maximale à température ambiante (270 W·m⁻¹·K⁻¹). Cependant, BeO est un matériau hautement toxique et cancérigène, ce qui le rend inadapté à une utilisation généralisée en laboratoire ou dans l'industrie. Le point eutectique le plus bas du système Y₂O₃-Al₂O₃ est de 1760 °C ; ce système est couramment utilisé comme adjuvant de frittage en phase liquide pour les céramiques SiC. Toutefois, comme Al³⁺ se dissout facilement dans le réseau cristallin du SiC, lorsque ce système est utilisé comme adjuvant de frittage, la conductivité thermique à température ambiante des céramiques SiC est inférieure à 200 W·m⁻¹·K⁻¹.
Les terres rares telles que Y, Sm, Sc, Gd et La sont peu solubles dans le réseau SiC et présentent une forte affinité pour l'oxygène, ce qui permet de réduire efficacement la teneur en oxygène de ce réseau. Par conséquent, le système Y₂O₃-RE₂O₃ (RE = Sm, Sc, Gd, La) est couramment utilisé comme adjuvant de frittage pour la préparation de céramiques SiC à haute conductivité thermique (> 200 W·m⁻¹·K⁻¹). Prenons l'exemple du système Y₂O₃-Sc₂O₃ : l'écart ionique entre Y³⁺ et Si⁴⁺ est important, et ces deux ions ne forment pas de solution solide. La solubilité du scandium dans le SiC pur à 1 800–2 600 °C est faible, de l'ordre de (2–3) × 10¹⁷ atomes·cm⁻³.
② Traitement thermique à haute température
Le traitement thermique à haute température des céramiques de SiC permet d'éliminer les défauts de réseau, les dislocations et les contraintes résiduelles, favorisant ainsi la transformation structurale de certains matériaux amorphes en cristaux et atténuant la diffusion des phonons. De plus, ce traitement thermique favorise efficacement la croissance des grains de SiC et améliore ainsi les propriétés thermiques du matériau. Par exemple, après un traitement thermique à 1950 °C, le coefficient de diffusion thermique des céramiques de SiC passe de 83,03 mm²·s⁻¹ à 89,50 mm²·s⁻¹, et la conductivité thermique à température ambiante passe de 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ à 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Ce traitement thermique améliore efficacement la désoxydation de l'agent de frittage à la surface et dans le réseau cristallin du SiC et renforce la cohésion entre les grains de SiC. Après un traitement thermique à haute température, la conductivité thermique à température ambiante des céramiques SiC a été considérablement améliorée.
Date de publication : 24 octobre 2024