Momenteel,siliciumcarbide (SiC)is een thermisch geleidend keramisch materiaal dat actief wordt bestudeerd in binnen- en buitenland. De theoretische thermische geleidbaarheid van SiC is zeer hoog en sommige kristalvormen kunnen 270 W/mK bereiken, wat al een leider is onder de niet-geleidende materialen. De toepassing van de thermische geleidbaarheid van SiC is bijvoorbeeld te zien in de substraatmaterialen van halfgeleiderapparaten, keramische materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, verwarmers en verwarmingsplaten voor de verwerking van halfgeleiders, capsulematerialen voor nucleaire brandstof en gasafdichtingsringen voor compressorpompen.
Toepassing vansiliciumcarbideop het gebied van halfgeleiders
Slijpschijven en armaturen zijn belangrijke procesapparatuur voor de productie van siliciumwafels in de halfgeleiderindustrie. Als de slijpschijf is gemaakt van gietijzer of koolstofstaal, is de levensduur kort en de thermische uitzettingscoëfficiënt groot. Tijdens de verwerking van siliciumwafels, vooral tijdens slijpen of polijsten op hoge snelheid, zijn de vlakheid en parallelliteit van de siliciumwafel vanwege de slijtage en thermische vervorming van de slijpschijf moeilijk te garanderen. De slijpschijf gemaakt vansiliciumcarbide keramiekheeft een lage slijtage vanwege de hoge hardheid en de thermische uitzettingscoëfficiënt is in principe hetzelfde als die van siliciumwafels, zodat het met hoge snelheid kan worden geslepen en gepolijst.
Wanneer siliciumwafels worden geproduceerd, moeten ze bovendien een hittebehandeling bij hoge temperatuur ondergaan en worden ze vaak getransporteerd met behulp van siliciumcarbide-bevestigingen. Ze zijn hittebestendig en niet-destructief. Diamantachtige koolstof (DLC) en andere coatings kunnen op het oppervlak worden aangebracht om de prestaties te verbeteren, schade aan de wafer te verminderen en te voorkomen dat verontreiniging zich verspreidt.
Bovendien hebben monokristallijne materialen van siliciumcarbide, als vertegenwoordiger van de halfgeleidermaterialen met een grote bandafstand van de derde generatie, eigenschappen zoals een grote bandafstand (ongeveer 3 keer die van Si), een hoge thermische geleidbaarheid (ongeveer 3,3 keer die van Si of 10 keer die van GaAs), hoge elektronenverzadigingsmigratiesnelheid (ongeveer 2,5 keer die van Si) en een hoog elektrisch doorslagveld (ongeveer 10 keer die van Si of 5 keer die van GaAs). SiC-apparaten compenseren de tekortkomingen van traditionele apparaten van halfgeleidermateriaal in praktische toepassingen en worden geleidelijk de mainstream van vermogenshalfgeleiders.
De vraag naar siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid is dramatisch toegenomen
Met de voortdurende ontwikkeling van wetenschap en technologie is de vraag naar de toepassing van siliciumcarbide-keramiek op het gebied van halfgeleiders dramatisch toegenomen, en een hoge thermische geleidbaarheid is een sleutelindicator voor de toepassing ervan in componenten van halfgeleiderproductieapparatuur. Daarom is het van cruciaal belang om het onderzoek naar siliciumcarbidekeramiek met hoge thermische geleidbaarheid te versterken. Het verminderen van het zuurstofgehalte in het rooster, het verbeteren van de dichtheid en het redelijk reguleren van de verdeling van de tweede fase in het rooster zijn de belangrijkste methoden om de thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide-keramiek te verbeteren.
Op dit moment zijn er in mijn land weinig onderzoeken naar siliciumcarbide-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid, en er is nog steeds een grote kloof vergeleken met het wereldniveau. Toekomstige onderzoeksrichtingen omvatten:
●Versterk het onderzoek naar het bereidingsproces van keramisch siliciumcarbidepoeder. De bereiding van hoogzuiver, zuurstofarm siliciumcarbidepoeder vormt de basis voor de bereiding van siliciumcarbidekeramiek met hoge thermische geleidbaarheid;
● Versterk de selectie van sinterhulpmiddelen en gerelateerd theoretisch onderzoek;
●Versterk het onderzoek en de ontwikkeling van hoogwaardige sinterapparatuur. Door het sinterproces te reguleren om een redelijke microstructuur te verkrijgen, is het een noodzakelijke voorwaarde om siliciumcarbidekeramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te verkrijgen.
Maatregelen om de thermische geleidbaarheid van siliciumcarbidekeramiek te verbeteren
De sleutel tot het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek is het verminderen van de fononverstrooiingsfrequentie en het vergroten van het gemiddelde vrije pad van fononen. De thermische geleidbaarheid van SiC zal effectief worden verbeterd door de porositeit en korrelgrensdichtheid van SiC-keramiek te verminderen, de zuiverheid van SiC-korrelgrenzen te verbeteren, SiC-roosteronzuiverheden of roosterdefecten te verminderen en de warmtestroomoverdrachtsdrager in SiC te vergroten. Momenteel zijn het optimaliseren van het type en de inhoud van sinterhulpmiddelen en hittebehandeling bij hoge temperaturen de belangrijkste maatregelen om de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek te verbeteren.
① Het optimaliseren van het type en de inhoud van sinterhulpmiddelen
Bij de bereiding van SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid worden vaak verschillende sinterhulpmiddelen toegevoegd. Onder hen hebben het type en de inhoud van sinterhulpmiddelen een grote invloed op de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek. Al- of O-elementen in de sinterhulpmiddelen van het Al2O3-systeem worden bijvoorbeeld gemakkelijk opgelost in het SiC-rooster, wat resulteert in vacatures en defecten, wat leidt tot een toename van de fononverstrooiingsfrequentie. Als het gehalte aan sinterhulpmiddelen laag is, is het materiaal bovendien moeilijk te sinteren en te verdichten, terwijl een hoog gehalte aan sinterhulpmiddelen zal leiden tot een toename van onzuiverheden en defecten. Overmatige sinterhulpmiddelen in de vloeibare fase kunnen ook de groei van SiC-korrels remmen en het gemiddelde vrije pad van fononen verminderen. Om SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te bereiden, is het daarom noodzakelijk om het gehalte aan sinterhulpmiddelen zoveel mogelijk te verminderen, terwijl aan de eisen van de sinterdichtheid wordt voldaan, en te proberen sinterhulpmiddelen te kiezen die moeilijk op te lossen zijn in het SiC-rooster.
*Thermische eigenschappen van SiC-keramiek wanneer verschillende sinterhulpmiddelen worden toegevoegd
Momenteel heeft heetgeperst SiC-keramiek, gesinterd met BeO als sinterhulpmiddel, de maximale thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur (270W·m-1·K-1). BeO is echter een zeer giftig materiaal en kankerverwekkend, en is niet geschikt voor wijdverbreide toepassing in laboratoria of industriële velden. Het laagste eutectische punt van het Y2O3-Al2O3-systeem is 1760℃, wat een veelgebruikt sinterhulpmiddel in de vloeibare fase is voor SiC-keramiek. Omdat Al3+ echter gemakkelijk in het SiC-rooster wordt opgelost, is de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek bij kamertemperatuur, wanneer dit systeem als sinterhulpmiddel wordt gebruikt, minder dan 200 W·m-1·K-1.
Zeldzame aardelementen zoals Y, Sm, Sc, Gd en La zijn niet gemakkelijk oplosbaar in SiC-rooster en hebben een hoge zuurstofaffiniteit, wat het zuurstofgehalte van het SiC-rooster effectief kan verminderen. Daarom is het Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) systeem een veelgebruikt sinterhulpmiddel voor het bereiden van SiC-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid (>200W·m-1·K-1). Als we het sinterhulpmiddel van het Y2O3-Sc2O3-systeem als voorbeeld nemen, is de ionenafwijkingswaarde van Y3+ en Si4+ groot en ondergaan de twee geen vaste oplossing. De oplosbaarheid van Sc in zuiver SiC bij 1800~2600℃ is klein, ongeveer (2~3)×1017atomen·cm-3.
② Warmtebehandeling op hoge temperatuur
Warmtebehandeling bij hoge temperaturen van SiC-keramiek is bevorderlijk voor het elimineren van roosterdefecten, dislocaties en restspanningen, het bevorderen van de structurele transformatie van sommige amorfe materialen in kristallen en het verzwakken van het fononverstrooiingseffect. Bovendien kan een hittebehandeling bij hoge temperaturen de groei van SiC-korrels effectief bevorderen en uiteindelijk de thermische eigenschappen van het materiaal verbeteren. Na een hittebehandeling bij hoge temperatuur bij 1950°C nam de thermische diffusiecoëfficiënt van SiC-keramiek bijvoorbeeld toe van 83,03 mm2·s-1 naar 89,50 mm2·s-1, en nam de thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur toe van 180,94 W·m -1·K-1 tot 192,17W·m-1·K-1. Warmtebehandeling bij hoge temperaturen verbetert effectief het deoxidatievermogen van het sinterhulpmiddel op het SiC-oppervlak en het rooster, en maakt de verbinding tussen SiC-korrels strakker. Na warmtebehandeling bij hoge temperatuur is de thermische geleidbaarheid van SiC-keramiek bij kamertemperatuur aanzienlijk verbeterd.
Posttijd: 24 oktober 2024