Attualmente,carburo di silicio (SiC)è un materiale ceramico termicamente conduttivo che viene studiato attivamente in patria e all'estero. La conduttività termica teorica del SiC è molto elevata e alcune forme cristalline possono raggiungere 270 W/mK, che è già leader tra i materiali non conduttivi. Ad esempio, l'applicazione della conduttività termica del SiC può essere vista nei materiali del substrato di dispositivi a semiconduttore, materiali ceramici ad alta conduttività termica, riscaldatori e piastre riscaldanti per la lavorazione dei semiconduttori, materiali per capsule per combustibile nucleare e anelli di tenuta del gas per pompe di compressori.
Applicazione dicarburo di silicionel campo dei semiconduttori
I dischi e i dispositivi di macinazione sono apparecchiature di processo importanti per la produzione di wafer di silicio nell'industria dei semiconduttori. Se il disco abrasivo è in ghisa o acciaio al carbonio, la sua durata sarà breve e il suo coefficiente di dilatazione termica sarà elevato. Durante la lavorazione dei wafer di silicio, in particolare durante la molatura o lucidatura ad alta velocità, a causa dell'usura e della deformazione termica del disco di macinazione, è difficile garantire la planarità e il parallelismo del wafer di silicio. Il disco abrasivo inceramiche al carburo di silicioha una bassa usura grazie alla sua elevata durezza e il suo coefficiente di dilatazione termica è sostanzialmente lo stesso di quello dei wafer di silicio, quindi può essere macinato e lucidato ad alta velocità.
Inoltre, quando vengono prodotti i wafer di silicio, devono essere sottoposti a un trattamento termico ad alta temperatura e spesso vengono trasportati utilizzando dispositivi di fissaggio in carburo di silicio. Sono resistenti al calore e non distruttivi. È possibile applicare sulla superficie il carbonio simile al diamante (DLC) e altri rivestimenti per migliorare le prestazioni, alleviare i danni ai wafer e impedire la diffusione della contaminazione.
Inoltre, in quanto rappresentanti dei materiali semiconduttori a banda larga larga di terza generazione, i materiali monocristallini di carburo di silicio hanno proprietà come ampia larghezza di banda proibita (circa 3 volte quella del Si), elevata conduttività termica (circa 3,3 volte quella del Si o 10 volte quella del Si) quella del GaAs), elevata velocità di migrazione della saturazione elettronica (circa 2,5 volte quella del Si) ed elevato campo elettrico di rottura (circa 10 volte quello del Si o 5 volte quello del GaAs). I dispositivi SiC compensano i difetti dei tradizionali dispositivi in materiale semiconduttore nelle applicazioni pratiche e stanno gradualmente diventando la corrente principale dei semiconduttori di potenza.
La domanda di ceramiche al carburo di silicio ad alta conduttività termica è aumentata notevolmente
Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia, la domanda per l'applicazione della ceramica al carburo di silicio nel campo dei semiconduttori è aumentata notevolmente e l'elevata conduttività termica è un indicatore chiave per la sua applicazione nei componenti delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori. Pertanto, è fondamentale rafforzare la ricerca sulle ceramiche di carburo di silicio ad alta conduttività termica. Ridurre il contenuto di ossigeno nel reticolo, migliorare la densità e regolare ragionevolmente la distribuzione della seconda fase nel reticolo sono i metodi principali per migliorare la conduttività termica delle ceramiche di carburo di silicio.
Al momento, nel mio paese ci sono pochi studi sulle ceramiche in carburo di silicio ad alta conduttività termica e c’è ancora un ampio divario rispetto al livello mondiale. Le direzioni future della ricerca includono:
●Rafforzare la ricerca sul processo di preparazione della polvere ceramica di carburo di silicio. La preparazione di polvere di carburo di silicio ad elevata purezza e basso contenuto di ossigeno è la base per la preparazione di ceramiche di carburo di silicio ad alta conduttività termica;
● Rafforzare la selezione degli ausili per la sinterizzazione e la relativa ricerca teorica;
●Rafforzare la ricerca e lo sviluppo di apparecchiature di sinterizzazione di fascia alta. Regolando il processo di sinterizzazione per ottenere una microstruttura ragionevole, è una condizione necessaria per ottenere ceramiche di carburo di silicio ad alta conducibilità termica.
Misure per migliorare la conduttività termica delle ceramiche al carburo di silicio
La chiave per migliorare la conduttività termica delle ceramiche SiC è ridurre la frequenza di diffusione dei fononi e aumentare il percorso libero medio dei fononi. La conduttività termica del SiC verrà effettivamente migliorata riducendo la porosità e la densità dei bordi dei grani delle ceramiche SiC, migliorando la purezza dei bordi dei grani del SiC, riducendo le impurità del reticolo del SiC o i difetti del reticolo e aumentando il vettore di trasmissione del flusso di calore nel SiC. Allo stato attuale, l’ottimizzazione del tipo e del contenuto degli ausili di sinterizzazione e il trattamento termico ad alta temperatura sono le principali misure per migliorare la conduttività termica delle ceramiche SiC.
① Ottimizzazione del tipo e del contenuto degli ausiliari di sinterizzazione
Vari ausiliari di sinterizzazione vengono spesso aggiunti durante la preparazione di ceramiche SiC ad alta conduttività termica. Tra questi, il tipo e il contenuto degli ausiliari di sinterizzazione hanno una grande influenza sulla conduttività termica delle ceramiche SiC. Ad esempio, gli elementi Al o O negli adiuvanti di sinterizzazione del sistema Al2O3 si dissolvono facilmente nel reticolo SiC, provocando posti vacanti e difetti, che portano ad un aumento della frequenza di diffusione dei fononi. Inoltre, se il contenuto di coadiuvanti di sinterizzazione è basso, il materiale sarà difficile da sinterizzare e densificare, mentre un contenuto elevato di coadiuvanti di sinterizzazione porterà ad un aumento di impurità e difetti. Un numero eccessivo di ausiliari di sinterizzazione in fase liquida può anche inibire la crescita dei grani di SiC e ridurre il percorso libero medio dei fononi. Pertanto, al fine di preparare ceramiche SiC ad alta conducibilità termica, è necessario ridurre il più possibile il contenuto di coadiuvanti di sinterizzazione soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di densità di sinterizzazione e provare a scegliere coadiuvanti di sinterizzazione che siano difficili da dissolvere nel reticolo SiC.
*Proprietà termiche della ceramica SiC quando vengono aggiunti diversi coadiuvanti di sinterizzazione
Attualmente, le ceramiche SiC pressate a caldo sinterizzate con BeO come ausilio di sinterizzazione hanno la massima conduttività termica a temperatura ambiente (270 W·m-1·K-1). Tuttavia, il BeO è un materiale altamente tossico e cancerogeno e non è adatto per un'applicazione diffusa nei laboratori o nei campi industriali. Il punto eutettico più basso del sistema Y2O3-Al2O3 è 1760 ℃, che è un comune ausilio alla sinterizzazione in fase liquida per le ceramiche SiC. Tuttavia, poiché Al3+ si dissolve facilmente nel reticolo SiC, quando questo sistema viene utilizzato come ausilio per la sinterizzazione, la conduttività termica a temperatura ambiente delle ceramiche SiC è inferiore a 200 W·m-1·K-1.
Gli elementi delle terre rare come Y, Sm, Sc, Gd e La non sono facilmente solubili nel reticolo SiC e hanno un'elevata affinità con l'ossigeno, che può ridurre efficacemente il contenuto di ossigeno del reticolo SiC. Pertanto, il sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) è un comune ausilio di sinterizzazione per la preparazione di ceramiche SiC ad alta conduttività termica (>200 W·m-1·K-1). Prendendo come esempio il sistema ausiliario di sinterizzazione Y2O3-Sc2O3, il valore di deviazione ionica di Y3+ e Si4+ è elevato e i due non subiscono una soluzione solida. La solubilità di Sc in SiC puro a 1800~2600℃ è piccola, circa (2~3)×1017atomi·cm-3.
② Trattamento termico ad alta temperatura
Il trattamento termico ad alta temperatura delle ceramiche SiC favorisce l'eliminazione dei difetti reticolari, delle dislocazioni e delle tensioni residue, promuovendo la trasformazione strutturale di alcuni materiali amorfi in cristalli e indebolendo l'effetto di diffusione dei fononi. Inoltre, il trattamento termico ad alta temperatura può promuovere efficacemente la crescita dei grani di SiC e, in definitiva, migliorare le proprietà termiche del materiale. Ad esempio, dopo il trattamento termico ad alta temperatura a 1950°C, il coefficiente di diffusione termica della ceramica SiC è aumentato da 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1 e la conduttività termica a temperatura ambiente è aumentata da 180,94 W·m. Da -1·K-1 a 192,17W·m-1·K-1. Il trattamento termico ad alta temperatura migliora efficacemente la capacità di disossidazione del coadiuvante di sinterizzazione sulla superficie e sul reticolo del SiC e rende più stretta la connessione tra i grani del SiC. Dopo il trattamento termico ad alta temperatura, la conduttività termica a temperatura ambiente della ceramica SiC è stata notevolmente migliorata.
Orario di pubblicazione: 24 ottobre 2024