Saat ini,silikon karbida (SiC)adalah bahan keramik konduktif termal yang dipelajari secara aktif di dalam dan luar negeri. Konduktivitas termal teoritis SiC sangat tinggi, dan beberapa bentuk kristal dapat mencapai 270W/mK, yang sudah menjadi pemimpin di antara bahan non-konduktif. Misalnya saja penerapan konduktivitas termal SiC dapat dilihat pada material substrat perangkat semikonduktor, material keramik dengan konduktivitas termal tinggi, pemanas dan pelat pemanas untuk pemrosesan semikonduktor, material kapsul untuk bahan bakar nuklir, dan cincin penyegel gas untuk pompa kompresor.
Penerapansilikon karbidadi bidang semikonduktor
Cakram dan perlengkapan gerinda adalah peralatan proses penting untuk produksi wafer silikon di industri semikonduktor. Jika cakram gerinda terbuat dari besi tuang atau baja karbon, masa pakainya pendek dan koefisien muai panasnya besar. Selama pemrosesan wafer silikon, terutama selama penggilingan atau pemolesan berkecepatan tinggi, karena keausan dan deformasi termal pada cakram gerinda, kerataan dan paralelisme wafer silikon sulit dijamin. Cakram gerinda terbuat darikeramik silikon karbidamemiliki keausan yang rendah karena kekerasannya yang tinggi, dan koefisien muai panasnya pada dasarnya sama dengan wafer silikon, sehingga dapat digiling dan dipoles dengan kecepatan tinggi.
Selain itu, ketika wafer silikon diproduksi, wafer tersebut perlu menjalani perlakuan panas suhu tinggi dan sering kali diangkut menggunakan perlengkapan silikon karbida. Mereka tahan panas dan tidak merusak. Karbon seperti berlian (DLC) dan pelapis lainnya dapat diaplikasikan pada permukaan untuk meningkatkan kinerja, mengurangi kerusakan wafer, dan mencegah penyebaran kontaminasi.
Selain itu, sebagai perwakilan dari bahan semikonduktor celah pita lebar generasi ketiga, bahan kristal tunggal silikon karbida memiliki sifat seperti lebar celah pita yang besar (sekitar 3 kali lipat dari Si), konduktivitas termal yang tinggi (sekitar 3,3 kali lipat dari Si atau 10 kali lipat). yaitu GaAs), laju migrasi saturasi elektron yang tinggi (sekitar 2,5 kali lipat dari Si) dan medan listrik tembus yang tinggi (sekitar 10 kali lipat dari Si atau 5 kali lipat dari GaAs). Perangkat SiC menutupi kekurangan perangkat material semikonduktor tradisional dalam aplikasi praktis dan secara bertahap menjadi arus utama semikonduktor daya.
Permintaan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi telah meningkat secara dramatis
Dengan terus berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, permintaan penerapan keramik silikon karbida di bidang semikonduktor telah meningkat secara dramatis, dan konduktivitas termal yang tinggi merupakan indikator utama penerapannya dalam komponen peralatan manufaktur semikonduktor. Oleh karena itu, sangat penting untuk memperkuat penelitian tentang keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi. Mengurangi kandungan oksigen kisi, meningkatkan kepadatan, dan mengatur distribusi fase kedua dalam kisi secara wajar adalah metode utama untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik silikon karbida.
Saat ini, hanya ada sedikit penelitian tentang keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi di negara saya, dan masih terdapat kesenjangan yang besar dibandingkan dengan tingkat dunia. Arah penelitian di masa depan meliputi:
●Memperkuat penelitian proses persiapan bubuk keramik silikon karbida. Pembuatan bubuk silikon karbida dengan kemurnian tinggi dan rendah oksigen adalah dasar untuk pembuatan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal tinggi;
● Memperkuat pemilihan alat bantu sintering dan penelitian teoretis terkait;
●Memperkuat penelitian dan pengembangan peralatan sintering kelas atas. Dengan mengatur proses sintering untuk mendapatkan struktur mikro yang wajar, merupakan kondisi yang diperlukan untuk mendapatkan keramik silikon karbida dengan konduktivitas termal yang tinggi.
Langkah-langkah untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik silikon karbida
Kunci untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik SiC adalah dengan mengurangi frekuensi hamburan fonon dan meningkatkan jalur bebas rata-rata fonon. Konduktivitas termal SiC akan ditingkatkan secara efektif dengan mengurangi porositas dan kepadatan batas butir keramik SiC, meningkatkan kemurnian batas butir SiC, mengurangi pengotor kisi SiC atau cacat kisi, dan meningkatkan pembawa transmisi aliran panas di SiC. Saat ini, optimalisasi jenis dan kandungan alat bantu sintering serta perlakuan panas suhu tinggi merupakan langkah utama untuk meningkatkan konduktivitas termal keramik SiC.
① Mengoptimalkan jenis dan isi alat bantu sintering
Berbagai bantuan sintering sering ditambahkan saat menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi. Diantaranya, jenis dan kandungan alat bantu sintering mempunyai pengaruh yang besar terhadap konduktivitas termal keramik SiC. Misalnya, unsur Al atau O dalam alat sintering sistem Al2O3 mudah larut ke dalam kisi SiC, mengakibatkan kekosongan dan cacat, yang menyebabkan peningkatan frekuensi hamburan fonon. Selain itu, jika kandungan bahan bantu sintering rendah maka bahan sulit untuk disinter dan dipadatkan, sedangkan kandungan bahan bantu sintering yang tinggi akan menyebabkan peningkatan pengotor dan cacat. Alat bantu sintering fase cair yang berlebihan juga dapat menghambat pertumbuhan butiran SiC dan mengurangi jalur bebas rata-rata fonon. Oleh karena itu, untuk menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal yang tinggi, kandungan alat bantu sintering perlu dikurangi sebanyak mungkin dengan tetap memenuhi persyaratan kepadatan sintering, dan usahakan memilih alat bantu sintering yang sulit larut dalam kisi SiC.
*Sifat termal keramik SiC ketika alat bantu sintering yang berbeda ditambahkan
Saat ini, keramik SiC yang dipres panas dan disinter dengan BeO sebagai bantuan sintering memiliki konduktivitas termal maksimum pada suhu ruangan (270W·m-1·K-1). Namun BeO merupakan bahan yang sangat beracun dan bersifat karsinogenik, sehingga tidak cocok untuk diaplikasikan secara luas di laboratorium atau bidang industri. Titik eutektik terendah dari sistem Y2O3-Al2O3 adalah 1760℃, yang merupakan bantuan sintering fase cair yang umum untuk keramik SiC. Namun, karena Al3+ mudah larut ke dalam kisi SiC, ketika sistem ini digunakan sebagai bantuan sintering, konduktivitas termal keramik SiC pada suhu kamar kurang dari 200W·m-1·K-1.
Unsur tanah jarang seperti Y, Sm, Sc, Gd dan La tidak mudah larut dalam kisi SiC dan memiliki afinitas oksigen yang tinggi, sehingga secara efektif dapat mengurangi kandungan oksigen dalam kisi SiC. Oleh karena itu, sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) adalah bantuan sintering yang umum untuk menyiapkan keramik SiC dengan konduktivitas termal tinggi (>200W·m-1·K-1). Mengambil contoh bantuan sintering sistem Y2O3-Sc2O3, nilai deviasi ion Y3+ dan Si4+ besar, dan keduanya tidak mengalami larutan padat. Kelarutan Sc dalam SiC murni pada 1800~2600℃ kecil, sekitar (2~3)×1017atom·cm-3.
② Perlakuan panas suhu tinggi
Perlakuan panas suhu tinggi pada keramik SiC kondusif untuk menghilangkan cacat kisi, dislokasi, dan tegangan sisa, mendorong transformasi struktural beberapa bahan amorf menjadi kristal, dan melemahkan efek hamburan fonon. Selain itu, perlakuan panas suhu tinggi dapat secara efektif mendorong pertumbuhan butiran SiC, dan pada akhirnya meningkatkan sifat termal material. Misalnya, setelah perlakuan panas suhu tinggi pada 1950°C, koefisien difusi termal keramik SiC meningkat dari 83,03mm2·s-1 menjadi 89,50mm2·s-1, dan konduktivitas termal suhu ruangan meningkat dari 180,94W·m -1·K-1 hingga 192,17W·m-1·K-1. Perlakuan panas suhu tinggi secara efektif meningkatkan kemampuan deoksidasi bantuan sintering pada permukaan dan kisi SiC, dan membuat hubungan antara butiran SiC menjadi lebih erat. Setelah perlakuan panas suhu tinggi, konduktivitas termal keramik SiC pada suhu kamar telah meningkat secara signifikan.
Waktu posting: 24 Oktober 2024