v súčasnostikarbid kremíka (SiC)je tepelne vodivý keramický materiál, ktorý sa aktívne študuje doma aj v zahraničí. Teoretická tepelná vodivosť SiC je veľmi vysoká a niektoré kryštálové formy môžu dosiahnuť 270 W/mK, čo je už teraz lídrom medzi nevodivými materiálmi. Napríklad použitie tepelnej vodivosti SiC možno vidieť v substrátových materiáloch polovodičových zariadení, keramických materiáloch s vysokou tepelnou vodivosťou, ohrievačoch a vykurovacích doskách na spracovanie polovodičov, materiáloch kapsúl pre jadrové palivo a plynových tesniacich krúžkoch pre kompresorové čerpadlá.
Aplikáciakarbid kremíkav oblasti polovodičov
Brúsne kotúče a prípravky sú dôležitým procesným zariadením na výrobu kremíkových plátkov v polovodičovom priemysle. Ak je brúsny kotúč vyrobený z liatiny alebo uhlíkovej ocele, jeho životnosť je krátka a koeficient tepelnej rozťažnosti veľký. Pri spracovaní kremíkových plátkov, najmä pri vysokorýchlostnom brúsení alebo leštení, je v dôsledku opotrebovania a tepelnej deformácie brúsneho kotúča ťažko zaručená rovinnosť a rovnobežnosť kremíkového plátku. Brúsny kotúč vyrobený zkeramika z karbidu kremíkamá nízke opotrebovanie vďaka svojej vysokej tvrdosti a jeho koeficient tepelnej rozťažnosti je v podstate rovnaký ako u kremíkových plátkov, takže ho možno brúsiť a leštiť vysokou rýchlosťou.
Okrem toho, keď sa vyrábajú kremíkové doštičky, musia sa podrobiť vysokoteplotnému tepelnému spracovaniu a často sa prepravujú pomocou prípravkov z karbidu kremíka. Sú tepelne odolné a nedeštruktívne. Diamantový uhlík (DLC) a iné povlaky môžu byť aplikované na povrch na zvýšenie výkonu, zmiernenie poškodenia plátkov a zabránenie šíreniu kontaminácie.
Okrem toho, ako zástupca tretej generácie polovodičových materiálov so širokou šírkou pásma, monokryštálové materiály karbidu kremíka majú vlastnosti, ako je veľká šírka šírky pásma (asi 3-krát väčšia ako Si), vysoká tepelná vodivosť (približne 3,3-krát väčšia ako Si alebo 10-krát miera migrácie GaAs), vysoká rýchlosť migrácie elektrónovej saturácie (asi 2,5-krát vyššia ako v prípade Si) a vysoké prierazné elektrické pole (asi 10-krát väčšie ako Si alebo 5-krát väčšie GaAs). SiC zariadenia nahrádzajú chyby tradičných polovodičových materiálov v praktických aplikáciách a postupne sa stávajú hlavným prúdom výkonových polovodičov.
Dopyt po keramike z karbidu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou sa dramaticky zvýšil
S neustálym rozvojom vedy a techniky sa dopyt po aplikácii keramiky z karbidu kremíka v oblasti polovodičov dramaticky zvýšil a vysoká tepelná vodivosť je kľúčovým ukazovateľom jej aplikácie v komponentoch zariadení na výrobu polovodičov. Preto je kľúčové posilniť výskum keramiky z karbidu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou. Zníženie obsahu kyslíka v mriežke, zlepšenie hustoty a primeraná regulácia distribúcie druhej fázy v mriežke sú hlavné metódy na zlepšenie tepelnej vodivosti keramiky z karbidu kremíka.
V súčasnosti existuje v mojej krajine málo štúdií o keramike z karbidu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou a stále existuje veľký rozdiel v porovnaní so svetovou úrovňou. Budúce smery výskumu zahŕňajú:
●Posilniť výskum procesu prípravy keramického prášku z karbidu kremíka. Príprava vysoko čistého prášku karbidu kremíka s nízkym obsahom kyslíka je základom na prípravu keramiky z karbidu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou;
● Posilniť výber spekacích pomôcok a súvisiaci teoretický výskum;
●Posilniť výskum a vývoj špičkových spekacích zariadení. Reguláciou procesu spekania na získanie primeranej mikroštruktúry je nevyhnutnou podmienkou získanie keramiky z karbidu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou.
Opatrenia na zlepšenie tepelnej vodivosti keramiky z karbidu kremíka
Kľúčom k zlepšeniu tepelnej vodivosti SiC keramiky je zníženie frekvencie rozptylu fonónov a zvýšenie strednej voľnej dráhy fonónov. Tepelná vodivosť SiC sa účinne zlepší znížením pórovitosti a hustoty hraníc zŕn SiC keramiky, zlepšením čistoty hraníc zŕn SiC, znížením nečistôt alebo defektov mriežky SiC a zvýšením prenosu tepelného toku v SiC. V súčasnosti sú hlavnými opatreniami na zlepšenie tepelnej vodivosti SiC keramiky optimalizácia druhu a obsahu spekacích pomôcok a vysokoteplotné tepelné spracovanie.
① Optimalizácia typu a obsahu spekacích pomôcok
Pri príprave SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou sa často pridávajú rôzne pomocné spekacie prostriedky. Spomedzi nich má na tepelnú vodivosť SiC keramiky veľký vplyv druh a obsah spekacích pomocných látok. Napríklad prvky Al alebo O v pomôckach na spekanie systému Al2O3 sa ľahko rozpúšťajú do mriežky SiC, čo vedie k voľným miestam a defektom, čo vedie k zvýšeniu frekvencie rozptylu fonónov. Okrem toho, ak je obsah pomocných látok na spekanie nízky, materiál sa ťažko speká a zhusťuje, zatiaľ čo vysoký obsah pomocných látok na spekanie povedie k nárastu nečistôt a defektov. Nadmerné množstvo pomocných prostriedkov na spekanie v kvapalnej fáze môže tiež inhibovať rast zŕn SiC a znížiť strednú voľnú dráhu fonónov. Na prípravu SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou je preto potrebné čo najviac znížiť obsah spekacích pomôcok pri splnení požiadaviek na hustotu spekania a snažiť sa vyberať spekacie pomocné látky, ktoré sa ťažko rozpúšťajú v SiC mriežke.
*Tepelné vlastnosti SiC keramiky po pridaní rôznych pomocných prostriedkov na spekanie
V súčasnosti má SiC keramika lisovaná za tepla spekaná s BeO ako pomôckou pri spekaní maximálnu tepelnú vodivosť pri izbovej teplote (270 W·m-1·K-1). BeO je však vysoko toxický a karcinogénny materiál a nie je vhodný na rozsiahle použitie v laboratóriách alebo priemyselných oblastiach. Najnižší eutektický bod systému Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, čo je bežná pomôcka na spekanie v kvapalnej fáze pre SiC keramiku. Keďže sa však Al3+ ľahko rozpúšťa do SiC mriežky, keď sa tento systém používa ako spekacia pomôcka, tepelná vodivosť SiC keramiky pri izbovej teplote je menšia ako 200 W·m-1·K-1.
Prvky vzácnych zemín ako Y, Sm, Sc, Gd a La nie sú ľahko rozpustné v SiC mriežke a majú vysokú afinitu ku kyslíku, čo môže účinne znížiť obsah kyslíka v SiC mriežke. Systém Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) je preto bežným spekacím prostriedkom na prípravu SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou (>200W·m-1·K-1). Ak vezmeme ako príklad pomocnú spekaciu pomôcku systému Y2O3-Sc2O3, hodnota odchýlky iónov Y3+ a Si4+ je veľká a tieto dve nepodliehajú tuhému roztoku. Rozpustnosť Sc v čistom SiC pri 1800~2600 °C je malá, asi (2~3) x 1017 atómov.cm-3.
② Tepelné spracovanie pri vysokej teplote
Tepelné spracovanie SiC keramiky pri vysokej teplote prispieva k eliminácii mriežkových defektov, dislokácií a zvyškových napätí, podporuje štrukturálnu transformáciu niektorých amorfných materiálov na kryštály a oslabuje efekt fonónového rozptylu. Okrem toho môže vysokoteplotné tepelné spracovanie účinne podporiť rast zŕn SiC a v konečnom dôsledku zlepšiť tepelné vlastnosti materiálu. Napríklad po vysokoteplotnom tepelnom spracovaní pri 1950 °C sa koeficient tepelnej difúzie SiC keramiky zvýšil z 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1 a tepelná vodivosť pri izbovej teplote sa zvýšila z 180,94 W·m -1·K-1 až 192,17W·m-1·K-1. Vysokoteplotné tepelné spracovanie účinne zlepšuje deoxidačnú schopnosť spekacej pomôcky na povrchu SiC a mriežke a robí spojenie medzi zrnami SiC tesnejšie. Po vysokoteplotnom tepelnom spracovaní sa výrazne zlepšila tepelná vodivosť SiC keramiky pri izbovej teplote.
Čas odoslania: 24. októbra 2024