Obecnie,węglik krzemu (SiC)to przewodzący ciepło materiał ceramiczny, który jest aktywnie badany w kraju i za granicą. Teoretyczna przewodność cieplna SiC jest bardzo wysoka, a niektóre formy krystaliczne mogą osiągać 270 W/mK, co już jest liderem wśród materiałów nieprzewodzących. Na przykład zastosowanie przewodności cieplnej SiC można zaobserwować w materiałach podłoża urządzeń półprzewodnikowych, materiałach ceramicznych o wysokiej przewodności cieplnej, grzejnikach i płytach grzewczych do przetwarzania półprzewodników, materiałach kapsułek do paliwa jądrowego oraz pierścieniach uszczelniających gaz do pomp sprężarek.
Zastosowaniewęglik krzemuw dziedzinie półprzewodników
Tarcze i osprzęt szlifierski są ważnym sprzętem procesowym do produkcji płytek krzemowych w przemyśle półprzewodników. Jeśli tarcza szlifierska jest wykonana z żeliwa lub stali węglowej, jej żywotność jest krótka, a współczynnik rozszerzalności cieplnej duży. Podczas obróbki płytek krzemowych, szczególnie podczas szlifowania lub polerowania z dużą prędkością, ze względu na zużycie i odkształcenia termiczne tarczy szlifierskiej, trudno jest zagwarantować płaskość i równoległość płytki krzemowej. Tarcza szlifierska wykonana zceramika z węglika krzemucharakteryzuje się niskim zużyciem ze względu na wysoką twardość, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest w zasadzie taki sam jak w przypadku płytek krzemowych, dzięki czemu można go szlifować i polerować z dużą prędkością.
Ponadto podczas produkcji płytek krzemowych należy je poddać obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze i często transportuje się je przy użyciu osprzętu z węglika krzemu. Są odporne na ciepło i nieniszczące. Na powierzchnię można nałożyć węgiel diamentopodobny (DLC) i inne powłoki, aby poprawić wydajność, złagodzić uszkodzenia płytek i zapobiec rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń.
Co więcej, jako przedstawiciel materiałów półprzewodnikowych o szerokim paśmie wzbronionym trzeciej generacji, materiały monokrystaliczne z węglika krzemu mają takie właściwości, jak duża szerokość pasma wzbronionego (około 3 razy większa od Si), wysoka przewodność cieplna (około 3,3 razy większa od Si lub 10 razy większa w przypadku GaAs), wysoki współczynnik migracji nasycenia elektronami (około 2,5 razy większy niż w przypadku Si) i silne pole elektryczne przebicia (około 10 razy większe w przypadku Si lub 5 razy większe w przypadku GaAs). Urządzenia SiC nadrabiają wady tradycyjnych urządzeń z materiałów półprzewodnikowych w praktycznych zastosowaniach i stopniowo stają się głównym nurtem półprzewodników mocy.
Zapotrzebowanie na ceramikę z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej dramatycznie wzrosło
Wraz z ciągłym rozwojem nauki i technologii zapotrzebowanie na ceramikę z węglika krzemu w dziedzinie półprzewodników dramatycznie wzrosło, a wysoka przewodność cieplna jest kluczowym wskaźnikiem jej zastosowania w komponentach sprzętu do produkcji półprzewodników. Dlatego istotne jest wzmocnienie badań nad ceramiką z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej. Zmniejszanie zawartości tlenu w siatce, poprawa gęstości i rozsądna regulacja rozkładu drugiej fazy w siatce to główne metody poprawy przewodności cieplnej ceramiki z węglika krzemu.
Obecnie w moim kraju prowadzi się niewiele badań dotyczących ceramiki z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej i nadal istnieje duża różnica w porównaniu z poziomem światowym. Przyszłe kierunki badań obejmują:
● Wzmocnienie badań nad procesem przygotowania proszku ceramicznego z węglika krzemu. Przygotowanie proszku węglika krzemu o wysokiej czystości i niskiej zawartości tlenu jest podstawą do przygotowania ceramiki z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej;
● Wzmocnienie doboru środków pomocniczych do spiekania i związanych z nimi badań teoretycznych;
●Wzmocnienie badań i rozwoju wysokiej klasy sprzętu do spiekania. Regulując proces spiekania w celu uzyskania odpowiedniej mikrostruktury, warunkiem koniecznym jest uzyskanie ceramiki z węglika krzemu o wysokiej przewodności cieplnej.
Środki poprawiające przewodność cieplną ceramiki z węglika krzemu
Kluczem do poprawy przewodności cieplnej ceramiki SiC jest zmniejszenie częstotliwości rozpraszania fononów i zwiększenie średniej swobodnej ścieżki fononów. Przewodność cieplna SiC zostanie skutecznie poprawiona poprzez zmniejszenie porowatości i gęstości granic ziaren ceramiki SiC, poprawę czystości granic ziaren SiC, zmniejszenie zanieczyszczeń sieci SiC lub defektów sieci oraz zwiększenie nośnika przenoszenia przepływu ciepła w SiC. Obecnie optymalizacja rodzaju i zawartości środków wspomagających spiekanie oraz obróbka cieplna w wysokiej temperaturze to główne środki mające na celu poprawę przewodności cieplnej ceramiki SiC.
① Optymalizacja rodzaju i zawartości środków pomocniczych do spiekania
Podczas przygotowywania ceramiki SiC o wysokiej przewodności cieplnej często dodaje się różne środki ułatwiające spiekanie. Wśród nich rodzaj i zawartość środków wspomagających spiekanie mają duży wpływ na przewodność cieplną ceramiki SiC. Na przykład pierwiastki Al lub O w środkach spiekających w systemie Al2O3 łatwo rozpuszczają się w siatce SiC, powodując wakaty i defekty, co prowadzi do wzrostu częstotliwości rozpraszania fononów. Ponadto, jeśli zawartość środków spiekających jest niska, materiał jest trudny do spiekania i zagęszczania, natomiast wysoka zawartość środków spiekających będzie prowadzić do wzrostu zanieczyszczeń i defektów. Nadmierne środki wspomagające spiekanie w fazie ciekłej mogą również hamować wzrost ziaren SiC i zmniejszać średnią swobodną drogę fononów. Dlatego też, aby przygotować ceramikę SiC o wysokiej przewodności cieplnej, należy maksymalnie ograniczyć zawartość środków spiekających, zachowując wymagania dotyczące gęstości spiekania, i starać się wybierać dodatki spiekające, które są trudno rozpuszczalne w siatce SiC.
*Właściwości termiczne ceramiki SiC po dodaniu różnych środków spiekających
Obecnie prasowana na gorąco ceramika SiC spiekana z BeO jako środkiem spiekającym ma maksymalną przewodność cieplną w temperaturze pokojowej (270W·m-1·K-1). Jednakże BeO jest materiałem wysoce toksycznym i rakotwórczym i nie nadaje się do powszechnego stosowania w laboratoriach lub zakładach przemysłowych. Najniższy punkt eutektyczny układu Y2O3-Al2O3 wynosi 1760℃, co jest powszechnym środkiem wspomagającym spiekanie w fazie ciekłej ceramiki SiC. Jednakże, ponieważ Al3+ łatwo rozpuszcza się w siatce SiC, gdy ten system jest stosowany jako środek wspomagający spiekanie, przewodność cieplna ceramiki SiC w temperaturze pokojowej jest mniejsza niż 200W·m-1·K-1.
Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak Y, Sm, Sc, Gd i La, nie są łatwo rozpuszczalne w sieci SiC i mają wysokie powinowactwo do tlenu, co może skutecznie zmniejszyć zawartość tlenu w sieci SiC. Dlatego system Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) jest powszechnym środkiem wspomagającym spiekanie przy wytwarzaniu ceramiki SiC o wysokiej przewodności cieplnej (>200W·m-1·K-1). Biorąc za przykład pomoc w spiekaniu układu Y2O3-Sc2O3, wartość odchylenia jonów Y3+ i Si4+ jest duża i oba nie ulegają roztworze stałemu. Rozpuszczalność Sc w czystym SiC w temperaturze 1800~2600℃ jest niewielka, około (2~3)×1017atomów·cm-3.
② Obróbka cieplna w wysokiej temperaturze
Wysokotemperaturowa obróbka cieplna ceramiki SiC sprzyja eliminacji defektów sieci, dyslokacji i naprężeń szczątkowych, sprzyja strukturalnej przemianie niektórych materiałów amorficznych w kryształy i osłabieniu efektu rozpraszania fononów. Ponadto obróbka cieplna w wysokiej temperaturze może skutecznie sprzyjać wzrostowi ziaren SiC i ostatecznie poprawić właściwości termiczne materiału. Na przykład po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze w temperaturze 1950°C współczynnik dyfuzji cieplnej ceramiki SiC wzrósł z 83,03 mm2·s-1 do 89,50 mm2·s-1, a przewodność cieplna w temperaturze pokojowej wzrosła z 180,94W·m -1·K-1 do 192,17W·m-1·K-1. Obróbka cieplna w wysokiej temperaturze skutecznie poprawia zdolność odtleniania środka wspomagającego spiekanie na powierzchni i siatce SiC oraz sprawia, że połączenie między ziarnami SiC jest mocniejsze. Po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze znacznie poprawiono przewodność cieplną ceramiki SiC w temperaturze pokojowej.
Czas publikacji: 24 października 2024 r