For tiden,silisiumkarbid (SiC)er et termisk ledende keramisk materiale som aktivt studeres i inn- og utland. Den teoretiske termiske ledningsevnen til SiC er svært høy, og noen krystallformer kan nå 270W/mK, som allerede er ledende blant ikke-ledende materialer. For eksempel kan anvendelsen av SiC termisk ledningsevne sees i substratmaterialene til halvlederenheter, keramiske materialer med høy termisk ledningsevne, varmeovner og varmeplater for halvlederbehandling, kapselmaterialer for kjernebrensel og gasstetningsringer for kompressorpumper.
Anvendelse avsilisiumkarbidi halvlederfeltet
Slipeskiver og fiksturer er viktig prosessutstyr for produksjon av silisiumskiver i halvlederindustrien. Hvis slipeskiven er laget av støpejern eller karbonstål, er levetiden kort og dens termiske ekspansjonskoeffisient stor. Under behandlingen av silisiumskiver, spesielt under høyhastighetssliping eller polering, på grunn av slitasje og termisk deformasjon av slipeskiven, er flatheten og parallelliteten til silisiumplaten vanskelig å garantere. Slipeskiven laget avsilisiumkarbid keramikkhar lav slitasje på grunn av sin høye hardhet, og dens termiske ekspansjonskoeffisient er i utgangspunktet den samme som for silisiumskiver, så den kan slipes og poleres i høy hastighet.
I tillegg, når silisiumskiver produseres, må de gjennomgå høytemperatur varmebehandling og transporteres ofte ved hjelp av silisiumkarbidarmaturer. De er varmebestandige og ikke-destruktive. Diamantlignende karbon (DLC) og andre belegg kan påføres på overflaten for å forbedre ytelsen, lindre waferskader og forhindre at forurensning sprer seg.
Videre, som en representant for tredjegenerasjons halvledermaterialer med bred båndgap, har silisiumkarbid enkrystallmaterialer egenskaper som stor båndgapbredde (omtrent 3 ganger større enn Si), høy varmeledningsevne (ca. 3,3 ganger større enn Si eller 10 ganger større enn Si). den for GaAs), høy migrasjonshastighet for elektronmetning (omtrent 2,5 ganger den for Si) og høy nedbrytning av elektrisk felt (omtrent 10 ganger det for Si eller 5 ganger det for GaAs). SiC-enheter kompenserer for defektene til tradisjonelle halvledermaterialeenheter i praktiske applikasjoner og blir gradvis hovedstrømmen av krafthalvledere.
Etterspørselen etter silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne har økt dramatisk
Med den kontinuerlige utviklingen av vitenskap og teknologi har etterspørselen etter bruk av silisiumkarbidkeramikk i halvlederfeltet økt dramatisk, og høy termisk ledningsevne er en nøkkelindikator for bruken av utstyrskomponenter for halvlederproduksjon. Derfor er det avgjørende å styrke forskningen på silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne. Redusering av oksygeninnholdet i gitteret, forbedring av tettheten og rimelig regulering av fordelingen av den andre fasen i gitteret er hovedmetodene for å forbedre den termiske ledningsevnen til silisiumkarbidkeramikk.
For tiden er det få studier på silisiumkarbidkeramikk med høy termisk ledningsevne i mitt land, og det er fortsatt et stort gap sammenlignet med verdensnivået. Fremtidige forskningsretninger inkluderer:
●Styrk forberedelsesprosessen forskning av silisiumkarbid keramisk pulver. Fremstillingen av silisiumkarbidpulver med høy renhet og lavt oksygen er grunnlaget for fremstilling av silisiumkarbidkeramikk med høy termisk ledningsevne;
● Styrke utvalget av sintringshjelpemidler og relatert teoretisk forskning;
●Styrke forskning og utvikling av avansert sintringsutstyr. Ved å regulere sintringsprosessen for å oppnå en rimelig mikrostruktur, er det en nødvendig betingelse å oppnå silisiumkarbidkeramikk med høy varmeledningsevne.
Tiltak for å forbedre den termiske ledningsevnen til silisiumkarbidkeramikk
Nøkkelen til å forbedre den termiske ledningsevnen til SiC-keramikk er å redusere fononspredningsfrekvensen og øke den gjennomsnittlige frie fononbanen. Den termiske ledningsevnen til SiC vil bli effektivt forbedret ved å redusere porøsiteten og korngrensetettheten til SiC-keramikk, forbedre renheten til SiC-korngrenser, redusere SiC-gitterurenheter eller gitterdefekter, og øke varmestrømoverføringsbæreren i SiC. For tiden er optimering av type og innhold av sintringshjelpemidler og høytemperatur varmebehandling de viktigste tiltakene for å forbedre den termiske ledningsevnen til SiC-keramikk.
① Optimalisering av type og innhold av sintringshjelpemidler
Ulike sintringshjelpemidler tilsettes ofte ved fremstilling av SiC-keramikk med høy varmeledningsevne. Blant dem har typen og innholdet av sintringshjelpemidler stor innflytelse på den termiske ledningsevnen til SiC-keramikk. For eksempel løses Al- eller O-elementer i Al2O3-systemets sintringshjelpemidler lett opp i SiC-gitteret, noe som resulterer i ledige plasser og defekter, noe som fører til en økning i fononspredningsfrekvensen. I tillegg, hvis innholdet av sintringshjelpemidler er lavt, er materialet vanskelig å sintre og fortette, mens et høyt innhold av sintringshjelpemidler vil føre til en økning i urenheter og defekter. Overdreven væskefase sintringshjelpemidler kan også hemme veksten av SiC-korn og redusere den gjennomsnittlige frie banen til fononer. For å fremstille SiC-keramikk med høy termisk ledningsevne er det derfor nødvendig å redusere innholdet av sintringshjelpemidler så mye som mulig samtidig som man oppfyller kravene til sintringstetthet, og prøve å velge sintringshjelpemidler som er vanskelige å løse opp i SiC-gitteret.
*Termiske egenskaper til SiC-keramikk når forskjellige sintringshjelpemidler tilsettes
For tiden har varmpresset SiC-keramikk sintret med BeO som et sintringshjelpemiddel maksimal termisk ledningsevne ved romtemperatur (270W·m-1·K-1). BeO er imidlertid et svært giftig materiale og kreftfremkallende, og er ikke egnet for utbredt bruk i laboratorier eller industriområder. Det laveste eutektiske punktet til Y2O3-Al2O3-systemet er 1760 ℃, som er et vanlig væskefase sintringshjelpemiddel for SiC-keramikk. Men siden Al3+ lett løses opp i SiC-gitteret, når dette systemet brukes som et sintringshjelpemiddel, er romtemperaturens termiske ledningsevne til SiC-keramikk mindre enn 200W·m-1·K-1.
Sjeldne jordartselementer som Y, Sm, Sc, Gd og La er ikke lett løselige i SiC-gitter og har høy oksygenaffinitet, noe som effektivt kan redusere oksygeninnholdet i SiC-gitter. Derfor er Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)-system et vanlig sintringshjelpemiddel for fremstilling av høy termisk ledningsevne (>200W·m-1·K-1) SiC-keramikk. Hvis vi tar Y2O3-Sc2O3-systemets sintringshjelpemiddel som et eksempel, er ioneavviksverdien til Y3+ og Si4+ stor, og de to gjennomgår ikke fast løsning. Løseligheten av Sc i ren SiC ved 1800~2600℃ er liten, omtrent (2~3)×1017atomer·cm-3.
② Høytemperatur varmebehandling
Høytemperatur varmebehandling av SiC-keramikk bidrar til å eliminere gitterdefekter, dislokasjoner og gjenværende spenninger, fremme den strukturelle transformasjonen av enkelte amorfe materialer til krystaller, og svekke fononspredningseffekten. I tillegg kan varmebehandling ved høy temperatur effektivt fremme veksten av SiC-korn, og til slutt forbedre materialets termiske egenskaper. For eksempel, etter høytemperatur varmebehandling ved 1950 °C, økte den termiske diffusjonskoeffisienten til SiC-keramikk fra 83,03 mm2·s-1 til 89,50 mm2·s-1, og den termiske ledningsevnen ved romtemperatur økte fra 180,94W·m -1·K-1 til 192,17W·m-1·K-1. Varmebehandling ved høy temperatur forbedrer effektivt sintringshjelpemidlets deoksidasjonsevne på SiC-overflaten og gitteret, og gjør forbindelsen mellom SiC-korn tettere. Etter varmebehandling ved høy temperatur har den termiske ledningsevnen ved romtemperatur til SiC-keramikk blitt betydelig forbedret.
Innleggstid: 24. oktober 2024