Actualmente,carburo de silicio (SiC)é un material cerámico condutor térmicamente que se estuda activamente no país e no estranxeiro. A condutividade térmica teórica do SiC é moi alta, e algunhas formas cristalinas poden alcanzar os 270 W/mK, o que xa é líder entre os materiais non condutores. Por exemplo, a aplicación da condutividade térmica de SiC pódese ver nos materiais de substrato de dispositivos semicondutores, materiais cerámicos de alta condutividade térmica, quentadores e placas de calefacción para procesamento de semicondutores, materiais de cápsulas para combustible nuclear e aneis de selado de gas para bombas de compresores.
Aplicación decarburo de siliciono campo dos semicondutores
Os discos e accesorios de moenda son equipos de proceso importantes para a produción de obleas de silicio na industria de semicondutores. Se o disco de moenda está feito de fundición ou aceiro carbono, a súa vida útil é curta e o seu coeficiente de expansión térmica é grande. Durante o procesamento de obleas de silicio, especialmente durante a moenda ou pulido a alta velocidade, debido ao desgaste e á deformación térmica do disco de moenda, a planitude e o paralelismo da oblea de silicio son difíciles de garantir. O disco de moenda feito decerámicas de carburo de silicioten un desgaste baixo debido á súa alta dureza, e o seu coeficiente de expansión térmica é basicamente o mesmo que o das obleas de silicio, polo que se pode moer e pulir a gran velocidade.
Ademais, cando se producen obleas de silicio, necesitan someterse a un tratamento térmico a alta temperatura e adoitan transportarse mediante accesorios de carburo de silicio. Son resistentes á calor e non destrutivos. Pódense aplicar carbono tipo diamante (DLC) e outros revestimentos na superficie para mellorar o rendemento, aliviar o dano das obleas e evitar a propagación da contaminación.
Ademais, como representante dos materiais semicondutores de banda ampla de terceira xeración, os materiais monocristais de carburo de silicio teñen propiedades como un ancho de banda ampla (aproximadamente 3 veces a do Si), unha alta condutividade térmica (uns 3,3 veces a do Si ou 10 veces). a de GaAs), unha alta taxa de migración de saturación de electróns (unhas 2,5 veces a do Si) e un alto campo eléctrico de ruptura (uns 10 veces a do Si ou 5 veces a de GaAs). Os dispositivos SiC compensan os defectos dos dispositivos de materiais semicondutores tradicionais en aplicacións prácticas e están a converterse gradualmente na corrente principal dos semicondutores de potencia.
A demanda de cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica aumentou drasticamente
Co desenvolvemento continuo da ciencia e da tecnoloxía, a demanda para a aplicación de cerámicas de carburo de silicio no campo dos semicondutores aumentou drasticamente e a alta condutividade térmica é un indicador clave para a súa aplicación en compoñentes de equipos de fabricación de semicondutores. Polo tanto, é fundamental reforzar a investigación sobre cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica. Reducir o contido de osíxeno da rede, mellorar a densidade e regular razoablemente a distribución da segunda fase na rede son os principais métodos para mellorar a condutividade térmica da cerámica de carburo de silicio.
Na actualidade, hai poucos estudos sobre cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica no meu país, e aínda hai unha gran brecha en comparación co nivel mundial. As direccións futuras de investigación inclúen:
●Reforzar a investigación do proceso de preparación do po cerámico de carburo de silicio. A preparación de po de carburo de silicio de alta pureza e baixo contido de osíxeno é a base para a preparación de cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica;
● Reforzar a selección de axudas de sinterización e a investigación teórica relacionada;
●Reforzar a investigación e desenvolvemento de equipos de sinterización de gama alta. Ao regular o proceso de sinterización para obter unha microestrutura razoable, é unha condición necesaria para obter cerámicas de carburo de silicio de alta condutividade térmica.
Medidas para mellorar a condutividade térmica das cerámicas de carburo de silicio
A clave para mellorar a condutividade térmica da cerámica SiC é reducir a frecuencia de dispersión dos fonóns e aumentar o camiño libre medio do fonón. A condutividade térmica do SiC mellorarase de forma efectiva reducindo a porosidade e a densidade do límite de grans das cerámicas de SiC, mellorando a pureza dos límites dos grans de SiC, reducindo as impurezas ou defectos da rede de SiC e aumentando o portador de transmisión do fluxo de calor en SiC. Na actualidade, a optimización do tipo e contido dos auxiliares de sinterización e o tratamento térmico a alta temperatura son as principais medidas para mellorar a condutividade térmica das cerámicas de SiC.
① Optimización do tipo e contido das axudas de sinterización
Adoitan engadirse varios auxiliares de sinterización cando se preparan cerámicas SiC de alta condutividade térmica. Entre eles, o tipo e contido dos auxiliares de sinterización teñen unha gran influencia na condutividade térmica das cerámicas de SiC. Por exemplo, os elementos Al ou O dos auxiliares de sinterización do sistema Al2O3 disolven facilmente na rede de SiC, o que produce vacantes e defectos, o que leva a un aumento da frecuencia de dispersión dos fonóns. Ademais, se o contido de auxiliares de sinterización é baixo, o material é difícil de sinterizar e densificar, mentres que un alto contido de axudas de sinterización provocará un aumento de impurezas e defectos. Os auxiliares de sinterización en fase líquida excesivas tamén poden inhibir o crecemento dos grans de SiC e reducir o camiño libre medio dos fonóns. Polo tanto, para preparar cerámicas de SiC de alta condutividade térmica, é necesario reducir o máximo posible o contido de auxiliares de sinterización ao tempo que se cumpren os requisitos de densidade de sinterización e tentar elixir axudas de sinterización difíciles de disolver na rede de SiC.
*Propiedades térmicas das cerámicas SiC cando se engaden diferentes auxiliares de sinterización
Actualmente, as cerámicas SiC prensadas en quente sinterizadas con BeO como axudante de sinterización teñen a máxima condutividade térmica a temperatura ambiente (270 W·m-1·K-1). Non obstante, o BeO é un material altamente tóxico e canceríxeno, e non é apto para unha aplicación xeneralizada en laboratorios ou campos industriais. O punto eutéctico máis baixo do sistema Y2O3-Al2O3 é 1760 ℃, que é unha axuda de sinterización en fase líquida común para cerámicas SiC. Non obstante, dado que o Al3+ se disolve facilmente na rede de SiC, cando este sistema se usa como auxiliar de sinterización, a condutividade térmica a temperatura ambiente da cerámica de SiC é inferior a 200 W·m-1·K-1.
Os elementos de terras raras como Y, Sm, Sc, Gd e La non son facilmente solubles na rede de SiC e teñen unha alta afinidade polo osíxeno, o que pode reducir eficazmente o contido de osíxeno da rede de SiC. Polo tanto, o sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) é unha axuda de sinterización común para a preparación de cerámicas SiC de alta condutividade térmica (>200W·m-1·K-1). Tomando como exemplo a axuda de sinterización do sistema Y2O3-Sc2O3, o valor de desviación de ións de Y3+ e Si4+ é grande e os dous non sofren solución sólida. A solubilidade do Sc en SiC puro a 1800~2600℃ é pequena, aproximadamente (2~3)×1017 átomos·cm-3.
② Tratamento térmico de alta temperatura
O tratamento térmico a alta temperatura da cerámica de SiC é propicio para eliminar os defectos da rede, as dislocacións e as tensións residuais, promovendo a transformación estrutural dalgúns materiais amorfos en cristais e debilitando o efecto de dispersión de fonóns. Ademais, o tratamento térmico a alta temperatura pode promover eficazmente o crecemento dos grans de SiC e, finalmente, mellorar as propiedades térmicas do material. Por exemplo, despois do tratamento térmico a alta temperatura a 1950 °C, o coeficiente de difusión térmica das cerámicas de SiC aumentou de 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1 e a condutividade térmica a temperatura ambiente aumentou de 180,94 W·m. -1·K-1 a 192,17W·m-1·K-1. O tratamento térmico a alta temperatura mellora eficazmente a capacidade de desoxidación da axuda de sinterización na superficie e a rede de SiC e fai que a conexión entre os grans de SiC sexa máis estreita. Despois do tratamento térmico a alta temperatura, a condutividade térmica a temperatura ambiente da cerámica de SiC mellorouse significativamente.
Hora de publicación: 24-Oct-2024