Jelenlegszilícium-karbid (SiC)egy hővezető kerámia anyag, amelyet aktívan tanulmányoznak itthon és külföldön. A SiC elméleti hővezető képessége nagyon magas, egyes kristályformák elérhetik a 270 W/mK értéket is, ami már most is vezető szerepet tölt be a nem vezető anyagok között. Például a SiC hővezető képesség alkalmazása megfigyelhető a félvezető eszközök hordozóanyagaiban, a nagy hővezető képességű kerámia anyagokban, a félvezető feldolgozáshoz használt fűtőelemekben és fűtőlemezekben, a nukleáris üzemanyag kapszulaanyagaiban, valamint a kompresszorszivattyúk gáztömítő gyűrűiben.
Alkalmazásaszilícium-karbida félvezető mezőben
A csiszolókorongok és rögzítőelemek fontos technológiai berendezések a félvezetőiparban a szilíciumlapka-gyártásban. Ha a csiszolókorong öntöttvasból vagy szénacélból készül, élettartama rövid, hőtágulási együtthatója pedig nagy. A szilícium lapkák feldolgozása során, különösen a nagy sebességű csiszolás vagy polírozás során, a csiszolókorong kopása és termikus deformációja miatt a szilícium lapka síksága és párhuzamossága nehezen garantálható. A csiszolótárcsa készültszilícium-karbid kerámianagy keménysége miatt csekély kopású, hőtágulási együtthatója pedig alapvetően megegyezik a szilícium lapkákéval, így nagy sebességgel csiszolható, polírozható.
Ezen túlmenően, amikor szilícium lapkákat állítanak elő, azokat magas hőmérsékletű hőkezelésnek kell alávetni, és gyakran szilícium-karbid szerelvényekkel szállítják őket. Hőállóak és roncsolásmentesek. Gyémántszerű szén (DLC) és egyéb bevonatok alkalmazhatók a felületre a teljesítmény fokozása, az ostyák sérülésének enyhítése és a szennyeződés terjedésének megakadályozása érdekében.
Ezen túlmenően a harmadik generációs széles sávú félvezető anyagok képviselőjeként a szilícium-karbid egykristályos anyagok olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a nagy sávszélesség (kb. 3-szorosa a Si-nek), a magas hővezető képesség (kb. 3,3-szorosa a Si-énak vagy tízszerese). a GaAs-é), nagy elektrontelítési vándorlási sebesség (kb. 2,5-szerese a Si-énak) és nagy áttörési elektromos tér (körülbelül 10-szerese a Si-ének vagy 5-nek). a GaAs-énak a szerese). A SiC eszközök a gyakorlati alkalmazásokban pótolják a hagyományos félvezető anyagú eszközök hibáit, és fokozatosan az erősáramú félvezetők fő áramvonalává válnak.
A nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiák iránti kereslet drámaian megnőtt
A tudomány és a technológia folyamatos fejlődésével a szilícium-karbid kerámiák félvezető területen történő alkalmazásának igénye drámaian megnőtt, és a magas hővezető képesség kulcsfontosságú mutatója a félvezetőgyártó berendezések alkatrészeiben való alkalmazásának. Ezért kulcsfontosságú a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiák kutatásának megerősítése. A szilícium-karbid kerámiák hővezető képességének javítására a fő módszerek a rács oxigéntartalmának csökkentése, a sűrűség javítása és a második fázis eloszlásának ésszerű szabályozása a rácsban.
Hazámban jelenleg kevés tanulmány készült a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiákról, és még mindig nagy a szakadék a világszinthez képest. A jövő kutatási irányai a következők:
● A szilícium-karbid kerámiapor előkészítési folyamatának kutatásának megerősítése. A nagy tisztaságú, alacsony oxigéntartalmú szilícium-karbid por készítése az alapja a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámiák készítésének;
● A szinterezési segédanyagok kiválasztásának és a kapcsolódó elméleti kutatásoknak a megerősítése;
● A csúcsminőségű szinterező berendezések kutatásának és fejlesztésének megerősítése. A szinterezési folyamat szabályozásával az ésszerű mikrostruktúra elérése érdekében szükséges feltétele a nagy hővezető képességű szilícium-karbid kerámia előállításának.
Intézkedések a szilícium-karbid kerámiák hővezető képességének javítására
A SiC kerámiák hővezető képességének javításának kulcsa a fononszórási frekvencia csökkentése és a fonon átlagos szabad útjának növelése. A SiC hővezető képessége hatékonyan javítható a SiC kerámiák porozitásának és szemcsehatár-sűrűségének csökkentésével, a SiC szemcsehatárok tisztaságának javításával, a SiC rácsszennyeződések vagy rácshibák csökkentésével, valamint a SiC-ban a hőáramlási hordozó növelésével. Jelenleg a szinterezési segédanyagok típusának és tartalmának optimalizálása, valamint a magas hőmérsékletű hőkezelés a fő intézkedés a SiC kerámiák hővezető képességének javítására.
① A szinterezési segédanyagok típusának és tartalmának optimalizálása
A nagy hővezető képességű SiC kerámiák készítésekor gyakran adnak hozzá különféle szinterezési segédanyagokat. Ezek közül a szinterezési segédanyagok fajtája és tartalma nagyban befolyásolja a SiC kerámiák hővezető képességét. Például az Al2O3 rendszer szinterezési segédanyagaiban lévő Al vagy O elemek könnyen feloldódnak a SiC rácsban, ami üresedéseket és hibákat eredményez, ami a fononszórási frekvencia növekedéséhez vezet. Ezen túlmenően, ha a szinterezési segédanyag-tartalom alacsony, az anyag nehezen szinterezhető és tömöríthető, míg a magas szinterezési segédanyag-tartalom a szennyeződések és hibák növekedéséhez vezet. A túlzott mennyiségű folyadékfázisú szinterezési segédanyagok gátolhatják a SiC szemcsék növekedését és csökkenthetik a fononok átlagos szabad útját. Ezért a nagy hővezető képességű SiC kerámiák elkészítéséhez a szinterezési sűrűség követelményeinek teljesítése mellett a szinterezési segédanyag-tartalmat a lehető legnagyobb mértékben csökkenteni kell, és a SiC rácsban nehezen oldódó szinterezési segédanyagokat kell választani.
*A SiC kerámiák termikus tulajdonságai különböző szinterezési segédanyagok hozzáadásakor
Jelenleg a melegen sajtolt SiC kerámiák, amelyek szinterezési segédanyagként BeO-val szintereztek, rendelkeznek a maximális szobahőmérsékletű hővezető képességgel (270W·m-1·K-1). A BeO azonban erősen mérgező és rákkeltő anyag, ezért nem alkalmas laboratóriumi vagy ipari területeken történő széles körű alkalmazásra. Az Y2O3-Al2O3 rendszer legalacsonyabb eutektikus pontja 1760 ℃, ami a SiC kerámiák szokásos folyadékfázisú szinterezésének segédeszköze. Mivel azonban az Al3+ könnyen oldódik a SiC-rácsban, ha ezt a rendszert szinterezési segédanyagként használják, a SiC kerámiák szobahőmérsékleti hővezető képessége kisebb, mint 200W·m-1·K-1.
A ritkaföldfémek, mint például az Y, Sm, Sc, Gd és La nem oldódnak könnyen SiC-rácsban, és nagy oxigénaffinitásuk van, ami hatékonyan csökkentheti a SiC-rács oxigéntartalmát. Emiatt az Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) rendszer a nagy hővezetőképességű (>200W·m-1·K-1) SiC kerámiák készítésének általános szinterezési segédeszköze. Az Y2O3-Sc2O3 rendszerű szinterezési segédanyagot példának vesszük, az Y3+ és Si4+ ioneltérés értéke nagy, és a kettő nem megy át szilárd oldódáson. Az Sc oldhatósága tiszta SiC-ben 1800-2600 ℃-on kicsi, körülbelül (2-3) × 1017 atom·cm-3.
② Magas hőmérsékletű hőkezelés
A SiC kerámiák magas hőmérsékletű hőkezelése elősegíti a rácshibák, diszlokációk és maradékfeszültségek kiküszöbölését, elősegíti egyes amorf anyagok szerkezeti átalakulását kristályokká, valamint gyengíti a fononszórási hatást. Ezenkívül a magas hőmérsékletű hőkezelés hatékonyan elősegítheti a SiC szemcsék növekedését, és végső soron javíthatja az anyag termikus tulajdonságait. Például a magas hőmérsékletű, 1950 °C-os hőkezelés után a SiC kerámiák hődiffúziós együtthatója 83,03 mm2·s-1-ről 89,50 mm2·s-1-re, a szobahőmérsékletű hővezető képessége pedig 180,94 W·m-ről nőtt. -1·K-1-től 192,17W·m-1·K-1-ig. A magas hőmérsékletű hőkezelés hatékonyan javítja a szinterezési segédanyag deoxidációs képességét a SiC felületen és a rácson, és szorosabbá teszi a kapcsolatot a SiC szemcsék között. A magas hőmérsékletű hőkezelést követően a SiC kerámiák szobahőmérsékletű hővezető képessége jelentősen javult.
Feladás időpontja: 2024.10.24