Atualmente,carboneto de silício (SiC)é um material cerâmico termicamente condutor que é ativamente estudado no país e no exterior. A condutividade térmica teórica do SiC é muito alta, e algumas formas cristalinas podem chegar a 270W/mK, o que já é líder entre os materiais não condutores. Por exemplo, a aplicação da condutividade térmica do SiC pode ser vista nos materiais de substrato de dispositivos semicondutores, materiais cerâmicos de alta condutividade térmica, aquecedores e placas de aquecimento para processamento de semicondutores, materiais de cápsulas para combustível nuclear e anéis de vedação de gás para bombas de compressores.
Aplicação decarboneto de silíciono campo de semicondutores
Discos e acessórios de moagem são equipamentos de processo importantes para a produção de pastilhas de silício na indústria de semicondutores. Se o disco de desbaste for feito de ferro fundido ou aço carbono, sua vida útil será curta e seu coeficiente de expansão térmica será grande. Durante o processamento de pastilhas de silício, especialmente durante a retificação ou polimento em alta velocidade, devido ao desgaste e à deformação térmica do disco de retificação, o nivelamento e o paralelismo da pastilha de silício são difíceis de garantir. O disco de moagem feito decerâmica de carboneto de silíciopossui baixo desgaste devido à sua alta dureza e seu coeficiente de expansão térmica é basicamente igual ao das pastilhas de silício, podendo ser retificado e polido em alta velocidade.
Além disso, quando os wafers de silício são produzidos, eles precisam passar por tratamento térmico em alta temperatura e geralmente são transportados por meio de acessórios de carboneto de silício. Eles são resistentes ao calor e não destrutivos. Carbono tipo diamante (DLC) e outros revestimentos podem ser aplicados na superfície para melhorar o desempenho, aliviar danos ao wafer e evitar que a contaminação se espalhe.
Além disso, como representante dos materiais semicondutores de banda larga de terceira geração, os materiais monocristalinos de carboneto de silício têm propriedades como grande largura de banda (cerca de 3 vezes maior que a do Si), alta condutividade térmica (cerca de 3,3 vezes maior que a do Si ou 10 vezes maior que a do Si). a do GaAs), alta taxa de migração de saturação de elétrons (cerca de 2,5 vezes a do Si) e alto campo elétrico de ruptura (cerca de 10 vezes a do Si ou 5 vezes a do GaAs). Os dispositivos SiC compensam os defeitos dos dispositivos tradicionais de materiais semicondutores em aplicações práticas e estão gradualmente se tornando a corrente principal dos semicondutores de potência.
A demanda por cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica aumentou dramaticamente
Com o desenvolvimento contínuo da ciência e da tecnologia, a demanda pela aplicação de cerâmicas de carboneto de silício no campo de semicondutores aumentou dramaticamente, e a alta condutividade térmica é um indicador chave para sua aplicação em componentes de equipamentos de fabricação de semicondutores. Portanto, é crucial fortalecer a pesquisa em cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica. Reduzir o teor de oxigênio da rede, melhorar a densidade e regular razoavelmente a distribuição da segunda fase na rede são os principais métodos para melhorar a condutividade térmica da cerâmica de carboneto de silício.
Atualmente, existem poucos estudos sobre cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica em meu país e ainda há uma grande lacuna em comparação com o nível mundial. As direções de pesquisa futura incluem:
●Fortalecer a pesquisa do processo de preparação do pó cerâmico de carboneto de silício. A preparação de pó de carboneto de silício de alta pureza e baixo teor de oxigênio é a base para a preparação de cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica;
● Fortalecer a seleção de auxiliares de sinterização e pesquisas teóricas relacionadas;
●Fortalecer a pesquisa e o desenvolvimento de equipamentos de sinterização de alta qualidade. Ao regular o processo de sinterização para obter uma microestrutura razoável, é condição necessária para a obtenção de cerâmicas de carboneto de silício de alta condutividade térmica.
Medidas para melhorar a condutividade térmica da cerâmica de carboneto de silício
A chave para melhorar a condutividade térmica da cerâmica SiC é reduzir a frequência de espalhamento do fônon e aumentar o caminho livre médio do fônon. A condutividade térmica do SiC será efetivamente melhorada reduzindo a porosidade e a densidade dos limites de grão da cerâmica de SiC, melhorando a pureza dos limites de grão de SiC, reduzindo as impurezas ou defeitos da rede de SiC e aumentando o transportador de transmissão de fluxo de calor no SiC. Atualmente, a otimização do tipo e conteúdo dos auxiliares de sinterização e o tratamento térmico em alta temperatura são as principais medidas para melhorar a condutividade térmica da cerâmica SiC.
① Otimizando o tipo e conteúdo dos auxiliares de sinterização
Vários auxiliares de sinterização são frequentemente adicionados na preparação de cerâmicas de SiC de alta condutividade térmica. Entre eles, o tipo e o conteúdo dos auxiliares de sinterização têm grande influência na condutividade térmica da cerâmica SiC. Por exemplo, os elementos Al ou O nos auxiliares de sinterização do sistema Al2O3 são facilmente dissolvidos na rede de SiC, resultando em vagas e defeitos, o que leva a um aumento na frequência de espalhamento de fônons. Além disso, se o teor de auxiliares de sinterização for baixo, o material será difícil de sinterizar e densificar, enquanto um alto teor de auxiliares de sinterização levará a um aumento de impurezas e defeitos. Auxiliares excessivos de sinterização em fase líquida também podem inibir o crescimento de grãos de SiC e reduzir o caminho livre médio dos fônons. Portanto, para preparar cerâmicas de SiC de alta condutividade térmica, é necessário reduzir ao máximo o teor de auxiliares de sinterização, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de densidade de sinterização, e tentar escolher auxiliares de sinterização que sejam difíceis de dissolver na rede de SiC.
*Propriedades térmicas da cerâmica SiC quando diferentes auxiliares de sinterização são adicionados
Atualmente, a cerâmica SiC prensada a quente sinterizada com BeO como auxiliar de sinterização tem a condutividade térmica máxima à temperatura ambiente (270W·m-1·K-1). No entanto, o BeO é um material altamente tóxico e cancerígeno, não sendo adequado para aplicação generalizada em laboratórios ou campos industriais. O ponto eutético mais baixo do sistema Y2O3-Al2O3 é 1760°C, que é um auxiliar de sinterização em fase líquida comum para cerâmica de SiC. No entanto, como o Al3+ é facilmente dissolvido na estrutura do SiC, quando este sistema é usado como auxiliar de sinterização, a condutividade térmica à temperatura ambiente da cerâmica de SiC é inferior a 200W·m-1·K-1.
Elementos de terras raras como Y, Sm, Sc, Gd e La não são facilmente solúveis na rede de SiC e têm alta afinidade pelo oxigênio, o que pode efetivamente reduzir o teor de oxigênio da rede de SiC. Portanto, o sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) é um auxiliar de sinterização comum para preparar cerâmicas de SiC de alta condutividade térmica (>200W·m-1·K-1). Tomando como exemplo o auxiliar de sinterização do sistema Y2O3-Sc2O3, o valor do desvio de íons de Y3+ e Si4+ é grande e os dois não sofrem solução sólida. A solubilidade do Sc em SiC puro a 1800~2600°C é pequena, cerca de (2~3)×1017átomos·cm-3.
② Tratamento térmico de alta temperatura
O tratamento térmico de alta temperatura da cerâmica SiC conduz à eliminação de defeitos de rede, deslocamentos e tensões residuais, promovendo a transformação estrutural de alguns materiais amorfos em cristais e enfraquecendo o efeito de espalhamento de fônons. Além disso, o tratamento térmico em alta temperatura pode promover efetivamente o crescimento de grãos de SiC e, em última análise, melhorar as propriedades térmicas do material. Por exemplo, após tratamento térmico a alta temperatura a 1950°C, o coeficiente de difusão térmica da cerâmica SiC aumentou de 83,03mm2·s-1 para 89,50mm2·s-1, e a condutividade térmica à temperatura ambiente aumentou de 180,94W·m -1·K-1 a 192,17W·m-1·K-1. O tratamento térmico de alta temperatura melhora efetivamente a capacidade de desoxidação do auxiliar de sinterização na superfície e na estrutura do SiC e torna a conexão entre os grãos de SiC mais firme. Após o tratamento térmico em alta temperatura, a condutividade térmica à temperatura ambiente da cerâmica SiC foi significativamente melhorada.
Horário da postagem: 24 de outubro de 2024