Actuellement,carbure de silicium (SiC)est un matériau céramique thermoconducteur qui est activement étudié dans le pays et à l’étranger. La conductivité thermique théorique du SiC est très élevée et certaines formes cristallines peuvent atteindre 270 W/mK, ce qui est déjà un leader parmi les matériaux non conducteurs. Par exemple, l'application de la conductivité thermique du SiC peut être observée dans les matériaux de substrat des dispositifs semi-conducteurs, les matériaux céramiques à haute conductivité thermique, les éléments chauffants et les plaques chauffantes pour le traitement des semi-conducteurs, les matériaux des capsules pour le combustible nucléaire et les bagues d'étanchéité aux gaz pour les pompes de compresseur.
Application decarbure de siliciumdans le domaine des semi-conducteurs
Les disques de meulage et les accessoires sont des équipements de traitement importants pour la production de plaquettes de silicium dans l'industrie des semi-conducteurs. Si le disque abrasif est en fonte ou en acier au carbone, sa durée de vie est courte et son coefficient de dilatation thermique est élevé. Lors du traitement des plaquettes de silicium, en particulier lors du meulage ou du polissage à grande vitesse, en raison de l'usure et de la déformation thermique du disque de meulage, la planéité et le parallélisme de la plaquette de silicium sont difficiles à garantir. Le disque abrasif encéramiques de carbure de siliciuma une faible usure en raison de sa dureté élevée et son coefficient de dilatation thermique est fondamentalement le même que celui des plaquettes de silicium, il peut donc être meulé et poli à grande vitesse.
De plus, lors de la production de plaquettes de silicium, elles doivent subir un traitement thermique à haute température et sont souvent transportées à l'aide de supports en carbure de silicium. Ils sont résistants à la chaleur et non destructifs. Du carbone de type diamant (DLC) et d'autres revêtements peuvent être appliqués sur la surface pour améliorer les performances, atténuer les dommages aux plaquettes et empêcher la propagation de la contamination.
En outre, en tant que représentants des matériaux semi-conducteurs à large bande interdite de troisième génération, les matériaux monocristallins en carbure de silicium ont des propriétés telles qu'une grande largeur de bande interdite (environ 3 fois celle du Si), une conductivité thermique élevée (environ 3,3 fois celle du Si ou 10 fois celle du Si). celui du GaAs), un taux de migration à saturation électronique élevé (environ 2,5 fois celui du Si) et un champ électrique de claquage élevé (environ 10 fois celui du Si ou 5 fois celui du GaAs). Les dispositifs SiC compensent les défauts des dispositifs à matériaux semi-conducteurs traditionnels dans les applications pratiques et deviennent progressivement le courant dominant des semi-conducteurs de puissance.
La demande de céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique a considérablement augmenté
Avec le développement continu de la science et de la technologie, la demande d'application de céramiques de carbure de silicium dans le domaine des semi-conducteurs a considérablement augmenté, et une conductivité thermique élevée est un indicateur clé de son application dans les composants d'équipements de fabrication de semi-conducteurs. Il est donc crucial de renforcer la recherche sur les céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique. La réduction de la teneur en oxygène du réseau, l'amélioration de la densité et la régulation raisonnable de la répartition de la deuxième phase dans le réseau sont les principales méthodes permettant d'améliorer la conductivité thermique des céramiques de carbure de silicium.
À l'heure actuelle, il existe peu d'études sur les céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique en Chine, et il existe encore un écart important par rapport au niveau mondial. Les futures orientations de recherche comprennent :
●Renforcer la recherche sur le processus de préparation de la poudre céramique de carbure de silicium. La préparation de poudre de carbure de silicium de haute pureté et à faible teneur en oxygène constitue la base de la préparation de céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique ;
● Renforcer la sélection des aides au frittage et la recherche théorique associée ;
●Renforcer la recherche et le développement d'équipements de frittage haut de gamme. En régulant le processus de frittage pour obtenir une microstructure raisonnable, c'est une condition nécessaire pour obtenir des céramiques de carbure de silicium à haute conductivité thermique.
Mesures pour améliorer la conductivité thermique des céramiques de carbure de silicium
La clé pour améliorer la conductivité thermique des céramiques SiC est de réduire la fréquence de diffusion des phonons et d’augmenter le libre parcours moyen des phonons. La conductivité thermique du SiC sera efficacement améliorée en réduisant la porosité et la densité des joints de grains des céramiques SiC, en améliorant la pureté des joints de grains de SiC, en réduisant les impuretés ou les défauts du réseau de SiC et en augmentant le vecteur de transmission du flux thermique dans le SiC. À l'heure actuelle, l'optimisation du type et du contenu des auxiliaires de frittage et le traitement thermique à haute température sont les principales mesures visant à améliorer la conductivité thermique des céramiques SiC.
① Optimisation du type et du contenu des auxiliaires de frittage
Divers auxiliaires de frittage sont souvent ajoutés lors de la préparation de céramiques SiC à haute conductivité thermique. Parmi eux, le type et la teneur en auxiliaires de frittage ont une grande influence sur la conductivité thermique des céramiques SiC. Par exemple, les éléments Al ou O des auxiliaires de frittage du système Al2O3 se dissolvent facilement dans le réseau SiC, ce qui entraîne des lacunes et des défauts, ce qui entraîne une augmentation de la fréquence de diffusion des phonons. De plus, si la teneur en adjuvants de frittage est faible, le matériau est difficile à fritter et à densifier, tandis qu'une teneur élevée en adjuvants de frittage entraînera une augmentation des impuretés et des défauts. Des auxiliaires de frittage en phase liquide excessifs peuvent 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 adjuvants de frittage tout en répondant aux exigences de densité de frittage, et d'essayer de choisir des adjuvants de frittage difficiles à dissoudre dans le réseau SiC.
*Propriétés thermiques des céramiques SiC lorsque différents adjuvants de frittage sont ajoutés
Actuellement, les céramiques SiC pressées à chaud frittées avec BeO comme aide au frittage ont la conductivité thermique maximale à température ambiante (270 W·m-1·K-1). Cependant, BeO est un matériau hautement toxique et cancérigène et ne convient pas à une application généralisée dans les laboratoires ou dans les domaines industriels. Le point eutectique le plus bas du système Y2O3-Al2O3 est de 1 760 ℃, ce qui constitue une aide au frittage en phase liquide courante pour les céramiques SiC. Cependant, étant donné que Al3+ se dissout facilement dans le réseau SiC, lorsque ce système est utilisé comme aide au frittage, la conductivité thermique à température ambiante des céramiques SiC est inférieure à 200 W·m-1·K-1.
Les éléments de terres rares tels que Y, Sm, Sc, Gd et La ne sont pas facilement solubles dans le réseau SiC et ont une affinité élevée pour l'oxygène, ce qui peut réduire efficacement la teneur en oxygène du réseau SiC. Par conséquent, le système Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) est un auxiliaire de frittage courant pour préparer des céramiques SiC à haute conductivité thermique (>200 W·m-1·K-1). En prenant comme exemple l'aide au frittage du système Y2O3-Sc2O3, la valeur de déviation ionique de Y3+ et Si4+ est grande et les deux ne subissent pas de solution solide. La solubilité du Sc dans le SiC pur à 1 800~2600℃ est faible, environ (2~3)×1017atomes·cm-3.
② Traitement thermique à haute température
Le traitement thermique à haute température des céramiques SiC favorise l'élimination des défauts de réseau, des dislocations et des contraintes résiduelles, favorise la transformation structurelle de certains matériaux amorphes en cristaux et affaiblit l'effet de diffusion des phonons. De plus, un traitement thermique à haute température peut favoriser efficacement la croissance des grains de SiC et, à terme, améliorer les propriétés thermiques du matériau. Par exemple, après un traitement thermique à haute température à 1 950 °C, le coefficient de diffusion thermique des céramiques SiC est passé de 83,03 mm2·s-1 à 89,50 mm2·s-1, et la conductivité thermique à température ambiante est passée de 180,94 W·m. -1·K-1 à 192,17W·m-1·K-1. Le traitement thermique à haute température améliore efficacement la capacité de désoxydation de l'aide au frittage sur la surface et le réseau de SiC, et rend la connexion entre les grains de SiC plus serrée. Après un traitement thermique à haute température, la conductivité thermique à température ambiante des céramiques SiC a été considérablement améliorée.
Heure de publication : 24 octobre 2024