Pašlaiksilīcija karbīds (SiC)ir siltumvadošs keramikas materiāls, kas tiek aktīvi pētīts gan mājās, gan ārzemēs. SiC teorētiskā siltumvadītspēja ir ļoti augsta, un dažas kristāla formas var sasniegt 270 W/mK, kas jau ir līderis starp nevadošiem materiāliem. Piemēram, SiC siltumvadītspējas pielietojumu var redzēt pusvadītāju ierīču substrātu materiālos, augstas siltumvadītspējas keramikas materiālos, sildītājos un sildīšanas plāksnēs pusvadītāju apstrādei, kapsulu materiālos kodoldegvielai un gāzes blīvgredzenos kompresoru sūkņiem.
Piemērošanasilīcija karbīdspusvadītāju laukā
Slīpēšanas diski un armatūra ir svarīgas procesa iekārtas silīcija plāksnīšu ražošanai pusvadītāju rūpniecībā. Ja slīpēšanas disks ir izgatavots no čuguna vai oglekļa tērauda, tā kalpošanas laiks ir īss un tā termiskās izplešanās koeficients ir liels. Silīcija plātņu apstrādes laikā, īpaši ātrgaitas slīpēšanas vai pulēšanas laikā, slīpēšanas diska nodiluma un termiskās deformācijas dēļ ir grūti garantēt silīcija vafeles plakanumu un paralēlismu. Slīpēšanas disks izgatavots nosilīcija karbīda keramikair zems nodilums augstās cietības dēļ, un tā termiskās izplešanās koeficients būtībā ir tāds pats kā silīcija plāksnēm, tāpēc to var slīpēt un pulēt lielā ātrumā.
Turklāt, ražojot silīcija vafeles, tām jāveic termiskā apstrāde augstā temperatūrā, un tās bieži tiek transportētas, izmantojot silīcija karbīda armatūru. Tie ir karstumizturīgi un nesagraujoši. Uz virsmas var uzklāt dimantiem līdzīgu oglekli (DLC) un citus pārklājumus, lai uzlabotu veiktspēju, mazinātu plāksnīšu bojājumus un novērstu piesārņojuma izplatīšanos.
Turklāt, kā trešās paaudzes platjoslas pusvadītāju materiālu pārstāvis, silīcija karbīda monokristālu materiāliem ir tādas īpašības kā liels joslas spraugas platums (apmēram 3 reizes lielāks nekā Si), augsta siltumvadītspēja (apmēram 3,3 reizes lielāka nekā Si vai 10 reizes). GaAs, augsts elektronu piesātinājuma migrācijas ātrums (apmēram 2,5 reizes lielāks nekā Si) un liels elektriskais lauks (apmēram 10 reizes lielāks nekā Si vai 5). reizes nekā GaAs). SiC ierīces praktiskos lietojumos kompensē tradicionālo pusvadītāju materiālu ierīču defektus un pakāpeniski kļūst par jaudas pusvadītāju galveno virzienu.
Pieprasījums pēc augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramikas ir dramatiski pieaudzis
Nepārtraukti attīstoties zinātnei un tehnoloģijām, pieprasījums pēc silīcija karbīda keramikas pielietojuma pusvadītāju jomā ir dramatiski pieaudzis, un augsta siltumvadītspēja ir galvenais rādītājs tās izmantošanai pusvadītāju ražošanas iekārtu komponentos. Tāpēc ir ļoti svarīgi pastiprināt pētījumus par augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramiku. Režģa skābekļa satura samazināšana, blīvuma uzlabošana un otrās fāzes sadalījuma saprātīga regulēšana režģī ir galvenās metodes silīcija karbīda keramikas siltumvadītspējas uzlabošanai.
Pašlaik manā valstī ir maz pētījumu par augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramiku, un joprojām pastāv liela atšķirība salīdzinājumā ar pasaules līmeni. Turpmākie pētniecības virzieni ietver:
●Stiprināt silīcija karbīda keramikas pulvera sagatavošanas procesa izpēti. Augstas tīrības pakāpes, zema skābekļa satura silīcija karbīda pulvera sagatavošana ir pamats augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramikas sagatavošanai;
● Stiprināt saķepināšanas palīglīdzekļu atlasi un ar to saistītos teorētiskos pētījumus;
●Stiprināt augstākās klases saķepināšanas iekārtu izpēti un izstrādi. Regulējot saķepināšanas procesu, lai iegūtu saprātīgu mikrostruktūru, tas ir nepieciešams nosacījums augstas siltumvadītspējas silīcija karbīda keramikas iegūšanai.
Pasākumi silīcija karbīda keramikas siltumvadītspējas uzlabošanai
Galvenais, lai uzlabotu SiC keramikas siltumvadītspēju, ir samazināt fonona izkliedes frekvenci un palielināt fonona vidējo brīvo ceļu. SiC siltumvadītspēja tiks efektīvi uzlabota, samazinot SiC keramikas porainību un graudu robežblīvumu, uzlabojot SiC graudu robežu tīrību, samazinot SiC režģa piemaisījumus vai režģa defektus un palielinot siltuma plūsmas pārvades nesēju SiC. Šobrīd galvenie pasākumi SiC keramikas siltumvadītspējas uzlabošanai ir saķepināšanas palīglīdzekļu veida un satura optimizēšana un termiskā apstrāde augstā temperatūrā.
① Saķepināšanas palīglīdzekļu veida un satura optimizēšana
Gatavojot augstas siltumvadītspējas SiC keramiku, bieži tiek pievienoti dažādi saķepināšanas palīglīdzekļi. Tostarp saķepināšanas palīglīdzekļu veidam un saturam ir liela ietekme uz SiC keramikas siltumvadītspēju. Piemēram, Al vai O elementi Al2O3 sistēmas saķepināšanas palīglīdzekļos viegli izšķīst SiC režģī, kā rezultātā rodas vakances un defekti, kā rezultātā palielinās fononu izkliedes frekvence. Turklāt, ja saķepināšanas palīglīdzekļu saturs ir mazs, materiāls ir grūti saķepināms un blīvējams, savukārt augsts saķepināšanas palīglīdzekļu saturs izraisīs piemaisījumu un defektu palielināšanos. Pārmērīgi šķidrās fāzes saķepināšanas palīglīdzekļi var arī kavēt SiC graudu augšanu un samazināt fononu vidējo brīvo ceļu. Līdz ar to, lai sagatavotu augstas siltumvadītspējas SiC keramiku, pēc iespējas jāsamazina saķepināšanas palīglīdzekļu saturs, ievērojot saķepināšanas blīvuma prasības, un jācenšas izvēlēties SiC režģī grūti šķīstošus saķepināšanas palīglīdzekļus.
*SiC keramikas termiskās īpašības, pievienojot dažādus saķepināšanas palīglīdzekļus
Pašlaik karsti presētai SiC keramikai, kas saķepināta ar BeO kā saķepināšanas palīglīdzekli, ir maksimālā telpas temperatūras siltumvadītspēja (270W·m-1·K-1). Tomēr BeO ir ļoti toksisks un kancerogēns materiāls, un tas nav piemērots plašai lietošanai laboratorijās vai rūpniecības jomās. Y2O3-Al2O3 sistēmas zemākais eitektiskais punkts ir 1760 ℃, kas ir parasts SiC keramikas šķidrās fāzes saķepināšanas palīglīdzeklis. Tomēr, tā kā Al3+ viegli izšķīst SiC režģī, ja šo sistēmu izmanto kā saķepināšanas palīglīdzekli, SiC keramikas siltumvadītspēja istabas temperatūrā ir mazāka par 200W·m-1·K-1.
Retzemju elementi, piemēram, Y, Sm, Sc, Gd un La, nav viegli šķīstoši SiC režģī, un tiem ir augsta skābekļa afinitāte, kas var efektīvi samazināt skābekļa saturu SiC režģī. Tāpēc Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) sistēma ir izplatīts saķepināšanas palīglīdzeklis augstas siltumvadītspējas (>200W·m-1·K-1) SiC keramikas pagatavošanai. Ņemot par piemēru Y2O3-Sc2O3 sistēmas saķepināšanas palīglīdzekli, Y3+ un Si4+ jonu novirzes vērtība ir liela, un abi netiek pakļauti cietam šķīdumam. Sc šķīdība tīrā SiC pie 1800 ~ 2600 ℃ ir maza, apmēram (2 ~ 3) × 1017 atomi · cm-3.
② Augstas temperatūras termiskā apstrāde
SiC keramikas termiskā apstrāde augstā temperatūrā veicina režģa defektu, dislokāciju un atlikušo spriegumu novēršanu, veicina dažu amorfu materiālu strukturālo pārveidi par kristāliem un vājina fononu izkliedes efektu. Turklāt augstas temperatūras termiskā apstrāde var efektīvi veicināt SiC graudu augšanu un galu galā uzlabot materiāla termiskās īpašības. Piemēram, pēc augstas temperatūras termiskās apstrādes 1950°C temperatūrā SiC keramikas termiskās difūzijas koeficients palielinājās no 83,03 mm2·s-1 līdz 89,50 mm2·s-1, un siltumvadītspēja istabas temperatūrā palielinājās no 180,94 W·m. -1·K-1 līdz 192,17 W·m-1·K-1. Augstas temperatūras termiskā apstrāde efektīvi uzlabo saķepināšanas palīglīdzekļa deoksidācijas spēju uz SiC virsmas un režģa, kā arī padara savienojumu starp SiC graudiem ciešāku. Pēc augstas temperatūras termiskās apstrādes SiC keramikas istabas temperatūras siltumvadītspēja ir ievērojami uzlabota.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 24. oktobris