Šiuo metusilicio karbidas (SiC)yra šilumai laidži keraminė medžiaga, kuri aktyviai tiriama namuose ir užsienyje. Teorinis SiC šilumos laidumas yra labai didelis, o kai kurios kristalų formos gali siekti 270 W/mK, o tai jau yra lyderis tarp nelaidžių medžiagų. Pavyzdžiui, SiC šilumos laidumo taikymą galima pastebėti puslaidininkinių įtaisų pagrindo medžiagose, didelio šilumos laidumo keraminėse medžiagose, šildytuvuose ir kaitinimo plokštėse puslaidininkių apdorojimui, kapsulių medžiagose branduoliniam kurui ir dujų sandarinimo žieduose kompresoriniams siurbliams.
Taikymassilicio karbidaspuslaidininkių lauke
Šlifavimo diskai ir armatūra yra svarbi proceso įranga silicio plokštelių gamybai puslaidininkių pramonėje. Jei šlifavimo diskas pagamintas iš ketaus arba anglinio plieno, jo tarnavimo laikas trumpas, o šiluminio plėtimosi koeficientas didelis. Apdorojant silicio plokšteles, ypač šlifuojant ar poliruojant dideliu greičiu, dėl šlifavimo disko susidėvėjimo ir šiluminės deformacijos sunku garantuoti silicio plokštelės plokštumą ir lygiagretumą. Šlifavimo diskas pagamintas išsilicio karbido keramikamažai dėvisi dėl didelio kietumo, o jo šiluminio plėtimosi koeficientas iš esmės yra toks pat kaip silicio plokštelių, todėl galima šlifuoti ir poliruoti dideliu greičiu.
Be to, kai gaminamos silicio plokštelės, jos turi būti termiškai apdorojamos aukštoje temperatūroje ir dažnai transportuojamos naudojant silicio karbido įtaisus. Jie yra atsparūs karščiui ir nedestruktyvūs. Į deimantą panašią anglį (DLC) ir kitas dangas galima padengti ant paviršiaus, kad būtų pagerintas našumas, sumažintas plokštelių pažeidimas ir užkertamas kelias taršai plisti.
Be to, kaip trečiosios kartos plačiajuosčio tarpo puslaidininkinių medžiagų atstovas, silicio karbido monokristalinės medžiagos pasižymi tokiomis savybėmis kaip didelis juostos plotis (apie 3 kartus didesnis už Si), didelis šilumos laidumas (apie 3,3 karto didesnis už Si arba 10 kartų). kad GaAs), didelis elektronų soties migracijos greitis (apie 2,5 karto didesnis nei Si) ir didelis elektrinis laukas (apie 10 kartų didesnis nei Si arba 5). kartų daugiau nei GaAs). SiC įrenginiai kompensuoja tradicinių puslaidininkinių medžiagų prietaisų defektus praktikoje ir palaipsniui tampa pagrindine galios puslaidininkių srove.
Labai išaugo didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos paklausa
Nuolat tobulėjant mokslui ir technologijoms, silicio karbido keramikos panaudojimo puslaidininkių srityje paklausa smarkiai išaugo, o didelis šilumos laidumas yra pagrindinis jos taikymo puslaidininkių gamybos įrangos komponentuose rodiklis. Todėl labai svarbu sustiprinti didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos tyrimus. Pagrindiniai silicio karbido keramikos šilumos laidumo gerinimo būdai yra gardelės deguonies kiekio sumažinimas, tankio gerinimas ir pagrįstas antrosios fazės pasiskirstymo grotelėje reguliavimas.
Šiuo metu mano šalyje atlikta nedaug didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos tyrimų ir vis dar yra didelis atotrūkis, palyginti su pasauliniu lygiu. Ateities tyrimų kryptys apima:
●Sustiprinti silicio karbido keramikos miltelių paruošimo proceso tyrimus. Didelio grynumo, mažai deguonies turinčių silicio karbido miltelių paruošimas yra didelio šilumos laidumo silicio karbido keramikos ruošimo pagrindas;
● Stiprinti sukepinimo pagalbinių priemonių pasirinkimą ir su jais susijusius teorinius tyrimus;
●Sustiprinti aukščiausios klasės sukepinimo įrangos tyrimus ir plėtrą. Reguliuojant sukepinimo procesą, norint gauti pagrįstą mikrostruktūrą, būtina sąlyga norint gauti didelio šilumos laidumo silicio karbido keramiką.
Priemonės silicio karbido keramikos šilumos laidumui gerinti
Norint pagerinti SiC keramikos šilumos laidumą, svarbu sumažinti fonono sklaidos dažnį ir padidinti fonono laisvąjį kelią. SiC šilumos laidumas bus efektyviai pagerintas sumažinus SiC keramikos poringumą ir grūdelių ribos tankį, pagerinus SiC grūdelių ribų grynumą, sumažinus SiC gardelės priemaišas ar gardelės defektus ir padidinus šilumos srauto perdavimo nešiklį SiC. Šiuo metu pagrindinės priemonės SiC keramikos šilumos laidumui pagerinti yra sukepinimo pagalbinių medžiagų tipo ir kiekio optimizavimas bei terminis apdorojimas aukštoje temperatūroje.
① Pagalbinių sukepinimo priemonių tipo ir turinio optimizavimas
Ruošiant didelio šilumos laidumo SiC keramiką dažnai pridedama įvairių sukepinimo pagalbinių medžiagų. Be to, didelę įtaką SiC keramikos šilumos laidumui turi sukepinimo pagalbinių medžiagų tipas ir kiekis. Pavyzdžiui, Al2O3 sistemos sukepinimo priemonėse esantys Al arba O elementai lengvai ištirpsta SiC gardelėse, todėl atsiranda laisvų vietų ir defektų, dėl kurių padidėja fononų sklaidos dažnis. Be to, jei pagalbinių sukepinimo medžiagų kiekis yra mažas, medžiaga sunkiai sukepinama ir tankėja, o esant dideliam sukepinimo pagalbinių medžiagų kiekiui, padaugės priemaišų ir defektų. Pernelyg didelės skystosios fazės sukepinimo priemonės taip pat gali slopinti SiC grūdelių augimą ir sumažinti vidutinį laisvą fononų kelią. Todėl norint paruošti didelio šilumos laidumo SiC keramiką, būtina kuo labiau sumažinti sukepinimo pagalbinių medžiagų kiekį, laikantis sukepinimo tankio reikalavimų, bei stengtis rinktis sunkiai tirpstančias SiC gardelyje sukepinimo priemones.
*SiC keramikos šiluminės savybės, kai pridedamos įvairios sukepinimo priemonės
Šiuo metu karšto spaudimo SiC keramika, sukepinta naudojant BeO kaip sukepinimo pagalbinę priemonę, turi didžiausią kambario temperatūros šilumos laidumą (270W·m-1·K-1). Tačiau BeO yra labai toksiška ir kancerogeninė medžiaga, todėl netinka plačiai naudoti laboratorijose ar pramonės srityse. Žemiausias Y2O3-Al2O3 sistemos eutektinis taškas yra 1760 ℃, o tai yra įprasta SiC keramikos skystosios fazės sukepinimo priemonė. Tačiau kadangi Al3+ lengvai ištirpsta SiC gardelėse, kai ši sistema naudojama kaip pagalbinė sukepinimo priemonė, SiC keramikos šilumos laidumas kambario temperatūroje yra mažesnis nei 200W·m-1·K-1.
Retųjų žemių elementai, tokie kaip Y, Sm, Sc, Gd ir La, sunkiai tirpsta SiC gardelėje ir turi didelį afinitetą deguoniui, o tai gali veiksmingai sumažinti deguonies kiekį SiC gardelėje. Todėl Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) sistema yra įprasta sukepinimo priemonė ruošiant didelio šilumos laidumo (>200W·m-1·K-1) SiC keramiką. Kaip pavyzdį imant Y2O3-Sc2O3 sistemos sukepinimo priemonę, Y3+ ir Si4+ jonų nuokrypio reikšmė yra didelė, o abi netirpsta. Sc tirpumas gryname SiC esant 1800–2600 ℃ yra mažas, apie (2–3) × 1017 atomų·cm-3.
② Terminis apdorojimas aukštoje temperatūroje
SiC keramikos apdorojimas aukštoje temperatūroje padeda pašalinti gardelės defektus, išnirimus ir liekamuosius įtempius, skatina kai kurių amorfinių medžiagų struktūrinį virsmą kristalais ir susilpnina fononų sklaidos efektą. Be to, terminis apdorojimas aukštoje temperatūroje gali veiksmingai skatinti SiC grūdelių augimą ir galiausiai pagerinti medžiagos šilumines savybes. Pavyzdžiui, po terminio apdorojimo aukštoje temperatūroje 1950 °C temperatūroje SiC keramikos šiluminės difuzijos koeficientas padidėjo nuo 83,03 mm2·s-1 iki 89,50 mm2·s-1, o kambario temperatūros šilumos laidumas padidėjo nuo 180,94 W·m. -1·K-1 iki 192,17W·m-1·K-1. Aukštos temperatūros terminis apdorojimas efektyviai pagerina sukepinimo pagalbinės medžiagos deoksidacijos gebėjimą ant SiC paviršiaus ir grotelių, o ryšys tarp SiC grūdelių tampa tvirtesnis. Po terminio apdorojimo aukštoje temperatūroje žymiai pagerėjo SiC keramikos šilumos laidumas kambario temperatūroje.
Paskelbimo laikas: 2024-10-24