Pada masa ini,silikon karbida (SiC)adalah bahan seramik pengalir haba yang dikaji secara aktif di dalam dan luar negara. Kekonduksian terma teori SiC adalah sangat tinggi, dan beberapa bentuk kristal boleh mencapai 270W/mK, yang sudah menjadi peneraju di kalangan bahan bukan konduktif. Sebagai contoh, aplikasi kekonduksian terma SiC boleh dilihat dalam bahan substrat peranti semikonduktor, bahan seramik kekonduksian terma tinggi, pemanas dan plat pemanas untuk pemprosesan semikonduktor, bahan kapsul untuk bahan api nuklear, dan gelang pengedap gas untuk pam pemampat.
Pemakaiansilikon karbidadalam bidang semikonduktor
Cakera pengisar dan lekapan adalah peralatan proses penting untuk pengeluaran wafer silikon dalam industri semikonduktor. Jika cakera pengisar diperbuat daripada besi tuang atau keluli karbon, hayat perkhidmatannya adalah pendek dan pekali pengembangan habanya besar. Semasa pemprosesan wafer silikon, terutamanya semasa pengisaran atau penggilap berkelajuan tinggi, disebabkan oleh haus dan ubah bentuk haba cakera pengisaran, kerataan dan keselarian wafer silikon sukar untuk dijamin. Cakera pengisar diperbuat daripadaseramik silikon karbidamempunyai haus yang rendah kerana kekerasannya yang tinggi, dan pekali pengembangan habanya pada asasnya sama dengan wafer silikon, jadi ia boleh dikisar dan digilap pada kelajuan tinggi.
Di samping itu, apabila wafer silikon dihasilkan, mereka perlu menjalani rawatan haba suhu tinggi dan selalunya diangkut menggunakan lekapan silikon karbida. Mereka tahan haba dan tidak merosakkan. Karbon seperti berlian (DLC) dan salutan lain boleh digunakan pada permukaan untuk meningkatkan prestasi, mengurangkan kerosakan wafer dan mengelakkan pencemaran daripada merebak.
Tambahan pula, sebagai wakil kepada bahan semikonduktor celah jalur lebar generasi ketiga, bahan kristal tunggal silikon karbida mempunyai sifat seperti lebar celah jalur yang besar (kira-kira 3 kali ganda daripada Si), kekonduksian haba yang tinggi (kira-kira 3.3 kali ganda daripada Si atau 10 kali ganda. yang GaAs), kadar penghijrahan tepu elektron yang tinggi (kira-kira 2.5 kali ganda daripada Si) dan medan elektrik pecahan tinggi (kira-kira 10 kali ganda daripada Si atau 5 kali ganda daripada GaAs). Peranti SiC mengimbangi kecacatan peranti bahan semikonduktor tradisional dalam aplikasi praktikal dan secara beransur-ansur menjadi arus perdana semikonduktor kuasa.
Permintaan untuk seramik silikon karbida kekonduksian haba yang tinggi telah meningkat secara mendadak
Dengan perkembangan berterusan sains dan teknologi, permintaan untuk penggunaan seramik silikon karbida dalam bidang semikonduktor telah meningkat secara mendadak, dan kekonduksian terma yang tinggi adalah penunjuk utama untuk aplikasinya dalam komponen peralatan pembuatan semikonduktor. Oleh itu, adalah penting untuk mengukuhkan penyelidikan mengenai seramik silikon karbida kekonduksian haba yang tinggi. Mengurangkan kandungan oksigen kekisi, meningkatkan ketumpatan, dan mengawal selia pengedaran fasa kedua secara munasabah dalam kekisi adalah kaedah utama untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik silikon karbida.
Pada masa ini, terdapat beberapa kajian mengenai seramik silikon karbida kekonduksian terma yang tinggi di negara saya, dan masih terdapat jurang yang besar berbanding dengan peringkat dunia. Arah penyelidikan masa depan termasuk:
●Menguatkan penyelidikan proses penyediaan serbuk seramik silikon karbida. Penyediaan serbuk silikon karbida ketulenan tinggi, rendah oksigen adalah asas untuk penyediaan seramik silikon karbida kekonduksian haba yang tinggi;
● Memperkukuh pemilihan bahan bantu pensinteran dan penyelidikan teori yang berkaitan;
●Memperkukuh penyelidikan dan pembangunan peralatan pensinteran mewah. Dengan mengawal selia proses pensinteran untuk mendapatkan struktur mikro yang munasabah, ia adalah syarat yang perlu untuk mendapatkan seramik silikon karbida kekonduksian haba yang tinggi.
Langkah-langkah untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik silikon karbida
Kunci untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik SiC adalah untuk mengurangkan kekerapan penyebaran fonon dan meningkatkan laluan bebas min fonon. Kekonduksian terma SiC akan dipertingkatkan dengan berkesan dengan mengurangkan keliangan dan ketumpatan sempadan butiran seramik SiC, meningkatkan ketulenan sempadan butiran SiC, mengurangkan kekotoran kekisi SiC atau kecacatan kekisi, dan meningkatkan pembawa penghantaran aliran haba dalam SiC. Pada masa ini, mengoptimumkan jenis dan kandungan alat pensinteran dan rawatan haba suhu tinggi adalah langkah utama untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik SiC.
① Mengoptimumkan jenis dan kandungan alat pensinteran
Pelbagai bantuan pensinteran sering ditambah semasa menyediakan seramik SiC kekonduksian haba yang tinggi. Antaranya, jenis dan kandungan bahan bantu pensinteran mempunyai pengaruh yang besar terhadap kekonduksian terma seramik SiC. Sebagai contoh, unsur Al atau O dalam alat bantu pensinteran sistem Al2O3 mudah dilarutkan ke dalam kekisi SiC, mengakibatkan kekosongan dan kecacatan, yang membawa kepada peningkatan dalam frekuensi hamburan fonon. Selain itu, jika kandungan bahan bantu pensinteran adalah rendah, bahan tersebut sukar untuk disinter dan ditumpat, manakala kandungan bahan bantu pensinteran yang tinggi akan menyebabkan peningkatan kekotoran dan kecacatan. Alat pensinteran fasa cecair yang berlebihan juga boleh menghalang pertumbuhan butiran SiC dan mengurangkan min laluan bebas fonon. Oleh itu, untuk menyediakan seramik SiC kekonduksian terma yang tinggi, adalah perlu untuk mengurangkan kandungan alat pensinteran sebanyak mungkin sambil memenuhi keperluan ketumpatan pensinteran, dan cuba memilih alat bantuan pensinteran yang sukar larut dalam kekisi SiC.
*Sifat terma seramik SiC apabila bantuan pensinteran yang berbeza ditambah
Pada masa ini, seramik SiC tekan panas yang disinter dengan BeO sebagai bantuan pensinteran mempunyai kekonduksian terma suhu bilik maksimum (270W·m-1·K-1). Walau bagaimanapun, BeO adalah bahan yang sangat toksik dan karsinogenik, dan tidak sesuai untuk aplikasi meluas dalam makmal atau bidang perindustrian. Titik eutektik terendah bagi sistem Y2O3-Al2O3 ialah 1760 ℃, yang merupakan bantuan pensinteran fasa cecair biasa untuk seramik SiC. Walau bagaimanapun, oleh kerana Al3+ mudah larut ke dalam kekisi SiC, apabila sistem ini digunakan sebagai bantuan pensinteran, kekonduksian terma suhu bilik seramik SiC adalah kurang daripada 200W·m-1·K-1.
Unsur nadir bumi seperti Y, Sm, Sc, Gd dan La tidak mudah larut dalam kekisi SiC dan mempunyai pertalian oksigen yang tinggi, yang boleh mengurangkan kandungan oksigen kekisi SiC dengan berkesan. Oleh itu, sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) ialah alat pensinteran biasa untuk menyediakan seramik SiC kekonduksian terma yang tinggi (>200W·m-1·K-1). Mengambil bantuan pensinteran sistem Y2O3-Sc2O3 sebagai contoh, nilai sisihan ion Y3+ dan Si4+ adalah besar, dan kedua-duanya tidak mengalami larutan pepejal. Keterlarutan Sc dalam SiC tulen pada 1800~2600℃ adalah kecil, kira-kira (2~3)×1017atom·cm-3.
② Rawatan haba suhu tinggi
Rawatan haba suhu tinggi seramik SiC adalah kondusif untuk menghapuskan kecacatan kekisi, terkehel dan tegasan sisa, menggalakkan transformasi struktur beberapa bahan amorf kepada kristal, dan melemahkan kesan hamburan fonon. Di samping itu, rawatan haba suhu tinggi boleh menggalakkan pertumbuhan bijirin SiC dengan berkesan, dan akhirnya meningkatkan sifat terma bahan. Sebagai contoh, selepas rawatan haba suhu tinggi pada 1950°C, pekali resapan terma seramik SiC meningkat daripada 83.03mm2·s-1 kepada 89.50mm2·s-1, dan kekonduksian terma suhu bilik meningkat daripada 180.94W·m -1·K-1 hingga 192.17W·m-1·K-1. Rawatan haba suhu tinggi dengan berkesan meningkatkan keupayaan penyahoksidaan bantuan pensinteran pada permukaan SiC dan kekisi, dan menjadikan sambungan antara butiran SiC lebih ketat. Selepas rawatan haba suhu tinggi, kekonduksian terma suhu bilik seramik SiC telah dipertingkatkan dengan ketara.
Masa siaran: 24-Okt-2024