În prezent,carbură de siliciu (SiC)este un material ceramic conductiv termic, care este studiat activ în țară și în străinătate. Conductivitatea termică teoretică a SiC este foarte mare, iar unele forme de cristale pot ajunge la 270W/mK, ceea ce este deja lider în rândul materialelor neconductoare. De exemplu, aplicarea conductibilității termice SiC poate fi observată în materialele substratului dispozitivelor semiconductoare, materiale ceramice cu conductivitate termică ridicată, încălzitoare și plăci de încălzire pentru prelucrarea semiconductoarelor, materiale pentru capsule pentru combustibil nuclear și inele de etanșare cu gaz pentru pompele compresoarelor.
Aplicareacarbură de siliciuîn domeniul semiconductorilor
Discurile și dispozitivele de șlefuit sunt echipamente importante de proces pentru producția de plachete de siliciu în industria semiconductoarelor. Dacă discul de șlefuit este din fontă sau oțel carbon, durata de viață a acestuia este scurtă, iar coeficientul său de dilatare termică este mare. În timpul prelucrării plachetelor de siliciu, în special în timpul șlefuirii sau lustruirii de mare viteză, din cauza uzurii și deformării termice a discului de șlefuire, planeitatea și paralelismul plachetei de siliciu sunt greu de garantat. Discul de șlefuit realizat dinceramică cu carbură de siliciuare uzura redusa datorita duritatii sale mari, iar coeficientul sau de dilatare termica este practic acelasi cu cel al plachetelor de siliciu, astfel incat poate fi macinata si lustruita la viteza mare.
În plus, atunci când sunt produse napolitane de siliciu, acestea trebuie să fie supuse unui tratament termic la temperatură înaltă și sunt adesea transportate folosind dispozitive de carbură de siliciu. Sunt rezistente la căldură și nedistructive. Carbonul asemănător diamantului (DLC) și alte acoperiri pot fi aplicate pe suprafață pentru a îmbunătăți performanța, a atenua deteriorarea plachetelor și a preveni răspândirea contaminării.
În plus, ca reprezentant al materialelor semiconductoare cu bandă interzisă de a treia generație, materialele monocristaline cu carbură de siliciu au proprietăți precum lățimea benzii interzise mare (de aproximativ 3 ori mai mare decât Si), conductivitate termică ridicată (de aproximativ 3,3 ori mai mare decât Si sau de 10 ori). cea a GaAs), o rată mare de migrare a saturației electronilor (de aproximativ 2,5 ori mai mare decât a Si) și un câmp electric de degradare ridicat (de aproximativ 10 ori mai mare decât cel al Si sau de 5 ori mai mare decât GaAs). Dispozitivele SiC compensează defectele dispozitivelor tradiționale cu materiale semiconductoare în aplicații practice și devin treptat curentul principal al semiconductorilor de putere.
Cererea de ceramică cu carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată a crescut dramatic
Odată cu dezvoltarea continuă a științei și tehnologiei, cererea pentru aplicarea ceramicii cu carbură de siliciu în domeniul semiconductorilor a crescut dramatic, iar conductivitatea termică ridicată este un indicator cheie pentru aplicarea sa în componentele echipamentelor de fabricare a semiconductoarelor. Prin urmare, este crucial să se consolideze cercetările asupra ceramicii cu carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată. Reducerea conținutului de oxigen al rețelei, îmbunătățirea densității și reglarea rezonabilă a distribuției fazei a doua în rețea sunt principalele metode de îmbunătățire a conductibilității termice a ceramicii cu carbură de siliciu.
În prezent, există puține studii privind ceramica cu carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată în țara mea și există încă un decalaj mare în comparație cu nivelul mondial. Direcțiile viitoare de cercetare includ:
● Întărirea procesului de pregătire a pulberii ceramice cu carbură de siliciu. Prepararea pulberii de carbură de siliciu de înaltă puritate, cu conținut scăzut de oxigen este baza pentru prepararea ceramicii cu carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată;
● Consolidarea selecției de ajutoare de sinterizare și cercetarea teoretică aferentă;
●Consolidarea cercetării și dezvoltării echipamentelor de sinterizare de ultimă generație. Prin reglarea procesului de sinterizare pentru a obține o microstructură rezonabilă, este o condiție necesară obținerea ceramicii cu carbură de siliciu cu conductivitate termică ridicată.
Măsuri de îmbunătățire a conductivității termice a ceramicii cu carbură de siliciu
Cheia îmbunătățirii conductivității termice a ceramicii SiC este reducerea frecvenței de împrăștiere a fononului și creșterea drumului liber mediu al fononului. Conductivitatea termică a SiC va fi îmbunătățită în mod eficient prin reducerea porozității și a densității limită a granulelor a ceramicii SiC, îmbunătățirea purității granițelor SiC, reducerea impurităților sau a defectelor rețelei SiC și creșterea purtătorului de transmisie a fluxului de căldură în SiC. În prezent, optimizarea tipului și conținutului de ajutoare de sinterizare și tratamentul termic la temperatură înaltă sunt principalele măsuri de îmbunătățire a conductibilității termice a ceramicii SiC.
① Optimizarea tipului și conținutului de ajutoare de sinterizare
La prepararea ceramicii SiC cu conductivitate termică ridicată se adaugă adesea diferiți adjuvanți de sinterizare. Printre acestea, tipul și conținutul de ajutoare de sinterizare au o mare influență asupra conductivității termice a ceramicii SiC. De exemplu, elementele Al sau O din ajutoarele de sinterizare ale sistemului Al2O3 sunt ușor dizolvate în rețeaua SiC, rezultând vacante și defecte, ceea ce duce la o creștere a frecvenței de împrăștiere a fononilor. În plus, dacă conținutul de adjuvanti de sinterizare este scăzut, materialul este dificil de sinterizat și densificat, în timp ce un conținut ridicat de adjuvanti de sinterizare va duce la o creștere a impurităților și a defectelor. Ajutoarele de sinterizare în fază lichidă în exces pot inhiba, de asemenea, creșterea boabelor de SiC și pot reduce calea liberă medie a fononilor. Prin urmare, pentru a pregăti ceramica SiC cu conductivitate termică ridicată, este necesar să se reducă cât mai mult posibil conținutul de ajutoare de sinterizare, îndeplinind în același timp cerințele de densitate de sinterizare și să se încerce să se aleagă ajutoare de sinterizare care sunt dificil de dizolvat în rețeaua SiC.
*Proprietăți termice ale ceramicii SiC atunci când se adaugă diferiți adjuvanți de sinterizare
În prezent, ceramica SiC presată la cald sinterizată cu BeO ca ajutor de sinterizare au conductivitate termică maximă la temperatura camerei (270W·m-1·K-1). Cu toate acestea, BeO este un material extrem de toxic și cancerigen și nu este potrivit pentru aplicarea pe scară largă în laboratoare sau domenii industriale. Cel mai scăzut punct eutectic al sistemului Y2O3-Al2O3 este 1760℃, care este un ajutor comun de sinterizare în fază lichidă pentru ceramica SiC. Cu toate acestea, deoarece Al3+ este ușor dizolvat în rețeaua SiC, atunci când acest sistem este utilizat ca ajutor de sinterizare, conductivitatea termică la temperatura camerei a ceramicii SiC este mai mică de 200W·m-1·K-1.
Elementele pământurilor rare precum Y, Sm, Sc, Gd și La nu sunt ușor solubile în rețeaua SiC și au afinitate mare pentru oxigen, ceea ce poate reduce în mod eficient conținutul de oxigen al rețelei SiC. Prin urmare, sistemul Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) este un ajutor comun de sinterizare pentru prepararea ceramicii SiC cu conductivitate termică ridicată (>200W·m-1·K-1). Luând ca exemplu ajutorul de sinterizare a sistemului Y2O3-Sc2O3, valoarea deviației ionice a Y3+ și Si4+ este mare, iar cele două nu sunt supuse soluției solide. Solubilitatea Sc în SiC pur la 1800~2600℃ este mică, aproximativ (2~3)×1017atomi·cm-3.
② Tratament termic la temperaturi ridicate
Tratamentul termic la temperatură ridicată al ceramicii SiC este favorabil eliminării defectelor rețelei, dislocațiilor și tensiunilor reziduale, promovând transformarea structurală a unor materiale amorfe în cristale și slăbirea efectului de împrăștiere a fononilor. În plus, tratamentul termic la temperatură înaltă poate promova eficient creșterea boabelor de SiC și, în cele din urmă, poate îmbunătăți proprietățile termice ale materialului. De exemplu, după tratamentul termic la temperatură înaltă la 1950°C, coeficientul de difuzie termică al ceramicii SiC a crescut de la 83,03 mm2·s-1 la 89,50 mm2·s-1, iar conductibilitatea termică la temperatura camerei a crescut de la 180,94W·m -1·K-1 până la 192,17W·m-1·K-1. Tratamentul termic la temperatură înaltă îmbunătățește eficient capacitatea de dezoxidare a auxiliarului de sinterizare pe suprafața și rețeaua SiC și face legătura dintre boabele de SiC mai strânsă. După tratamentul termic la temperatură înaltă, conductivitatea termică la temperatura camerei a ceramicii SiC a fost îmbunătățită semnificativ.
Ora postării: Oct-24-2024