För närvarande,kiselkarbid (SiC)är ett värmeledande keramiskt material som aktivt studeras hemma och utomlands. Den teoretiska värmeledningsförmågan hos SiC är mycket hög, och vissa kristallformer kan nå 270W/mK, vilket redan är ledande bland icke-ledande material. Till exempel kan tillämpningen av SiC-värmeledningsförmåga ses i substratmaterialen i halvledarenheter, keramiska material med hög värmeledningsförmåga, värmare och värmeplattor för halvledarbearbetning, kapselmaterial för kärnbränsle och gastätningsringar för kompressorpumpar.
Tillämpning avkiselkarbidi halvledarfältet
Slipskivor och fixturer är viktig processutrustning för produktion av kiselwafer inom halvledarindustrin. Om slipskivan är gjord av gjutjärn eller kolstål är dess livslängd kort och dess värmeutvidgningskoefficient stor. Under bearbetningen av kiselskivor, särskilt under höghastighetsslipning eller polering, på grund av slitaget och termisk deformation av slipskivan, är kiselskivans planhet och parallellitet svåra att garantera. Slipskivan tillverkad avkiselkarbidkeramikhar lågt slitage på grund av sin höga hårdhet, och dess termiska expansionskoefficient är i princip densamma som för kiselwafers, så den kan slipas och poleras i hög hastighet.
När kiselwafers tillverkas behöver de dessutom genomgå högtemperaturvärmebehandling och transporteras ofta med fixturer av kiselkarbid. De är värmebeständiga och oförstörande. Diamantliknande kol (DLC) och andra beläggningar kan appliceras på ytan för att förbättra prestandan, lindra waferskador och förhindra att kontaminering sprids.
Dessutom, som en representant för tredje generationens halvledarmaterial med breda bandgap, har enkristallmaterial av kiselkarbid egenskaper som stort bandgapbredd (cirka 3 gånger Si), hög värmeledningsförmåga (cirka 3,3 gånger Si eller 10 gånger Si). den för GaAs), hög migrationshastighet för elektronmättnad (cirka 2,5 gånger den för Si) och högt elektriskt nedbrytningsfält (ca 10 gånger det för Si eller 5 gånger det för GaAs). SiC-enheter kompenserar för defekterna hos traditionella halvledarmaterialenheter i praktiska tillämpningar och håller gradvis på att bli huvudströmmen av krafthalvledare.
Efterfrågan på kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga har ökat dramatiskt
Med den kontinuerliga utvecklingen av vetenskap och teknik har efterfrågan på tillämpning av kiselkarbidkeramik inom halvledarområdet ökat dramatiskt, och hög värmeledningsförmåga är en nyckelindikator för dess tillämpning i komponenter för tillverkning av halvledarutrustning. Därför är det avgörande att stärka forskningen om kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga. Att minska syrehalten i gittret, förbättra densiteten och rimligt reglera fördelningen av den andra fasen i gittret är de viktigaste metoderna för att förbättra värmeledningsförmågan hos kiselkarbidkeramer.
För närvarande finns det få studier om kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga i mitt land, och det finns fortfarande ett stort gap jämfört med världsnivån. Framtida forskningsinriktningar inkluderar:
● Stärka beredningsprocessen forskning av kiselkarbid keramiskt pulver. Beredningen av kiselkarbidpulver med hög renhet och låg syrehalt är grunden för beredningen av kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga;
● Stärka urvalet av sintringshjälpmedel och relaterad teoretisk forskning;
● Stärka forskningen och utvecklingen av avancerad sintringsutrustning. Genom att reglera sintringsprocessen för att erhålla en rimlig mikrostruktur är det ett nödvändigt villkor att erhålla kiselkarbidkeramik med hög värmeledningsförmåga.
Åtgärder för att förbättra värmeledningsförmågan hos kiselkarbidkeramik
Nyckeln till att förbättra den termiska konduktiviteten hos SiC-keramik är att minska fononspridningsfrekvensen och öka fononens medelfria väg. Den termiska konduktiviteten hos SiC kommer att förbättras effektivt genom att minska porositeten och korngränsdensiteten hos SiC-keramik, förbättra renheten hos SiC-korngränser, reducera SiC-gitterföroreningar eller gitterdefekter och öka värmeflödesöverföringsbäraren i SiC. För närvarande är optimering av typen och innehållet av sintringshjälpmedel och högtemperaturvärmebehandling de viktigaste åtgärderna för att förbättra den termiska konduktiviteten hos SiC-keramer.
① Optimering av typ och innehåll av sintringshjälpmedel
Olika sintringshjälpmedel tillsätts ofta vid framställning av SiC-keramik med hög värmeledningsförmåga. Bland dem har typen och innehållet av sintringshjälpmedel ett stort inflytande på den termiska konduktiviteten hos SiC-keramik. Till exempel löses Al- eller O-element i Al2O3-systemets sintringshjälpmedel lätt i SiC-gittret, vilket resulterar i vakanser och defekter, vilket leder till en ökning av fononspridningsfrekvensen. Dessutom, om innehållet av sintringshjälpmedel är lågt är materialet svårt att sintra och förtäta, medan ett högt innehåll av sintringshjälpmedel leder till en ökning av föroreningar och defekter. Överdriven vätskefassintringshjälpmedel kan också hämma tillväxten av SiC-korn och minska den genomsnittliga fria vägen för fononer. Därför, för att förbereda SiC-keramik med hög värmeledningsförmåga, är det nödvändigt att minska innehållet av sintringshjälpmedel så mycket som möjligt samtidigt som man uppfyller kraven på sintringsdensitet, och försöka välja sintringshjälpmedel som är svåra att lösa i SiC-gittret.
*Termiska egenskaper hos SiC-keramik när olika sintringshjälpmedel tillsätts
För närvarande har varmpressad SiC-keramik sintrad med BeO som sintringshjälpmedel den maximala värmeledningsförmågan vid rumstemperatur (270W·m-1·K-1). BeO är dock ett mycket giftigt material och cancerframkallande och är inte lämpligt för utbredd användning i laboratorier eller industriområden. Den lägsta eutektiska punkten i Y2O3-Al2O3-systemet är 1760 ℃, vilket är ett vanligt vätskefassintringshjälpmedel för SiC-keramik. Men eftersom Al3+ lätt löses upp i SiC-gittret, när detta system används som sintringshjälpmedel, är den termiska konduktiviteten i rumstemperatur för SiC-keramer mindre än 200W·m-1·K-1.
Sällsynta jordartsmetaller som Y, Sm, Sc, Gd och La är inte lättlösliga i SiC-gitter och har hög syreaffinitet, vilket effektivt kan minska syreinnehållet i SiC-gitter. Därför är Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La)-system ett vanligt sintringshjälpmedel för att framställa SiC-keramik med hög värmeledningsförmåga (>200W·m-1·K-1). Om man tar Y2O3-Sc2O3-systemets sintringshjälpmedel som ett exempel, är jonavvikelsen för Y3+ och Si4+ stort, och de två genomgår inte fast lösning. Lösligheten av Sc i ren SiC vid 1800~2600℃ är liten, cirka (2~3)×1017atomer·cm-3.
② Värmebehandling vid hög temperatur
Högtemperaturvärmebehandling av SiC-keramik bidrar till att eliminera gitterdefekter, dislokationer och kvarvarande spänningar, främjar den strukturella omvandlingen av vissa amorfa material till kristaller och försvagar fononspridningseffekten. Dessutom kan värmebehandling med hög temperatur effektivt främja tillväxten av SiC-korn och i slutändan förbättra materialets termiska egenskaper. Till exempel, efter högtemperaturvärmebehandling vid 1950°C, ökade den termiska diffusionskoefficienten för SiC-keramer från 83,03 mm2·s-1 till 89,50 mm2·s-1, och den termiska konduktiviteten vid rumstemperatur ökade från 180,94W·m -1·K-1 till 192,17W·m-1·K-1. Värmebehandling vid hög temperatur förbättrar effektivt sintringshjälpmedlets deoxidationsförmåga på SiC-ytan och gallret, och gör kopplingen mellan SiC-korn tätare. Efter värmebehandling vid hög temperatur har den termiska ledningsförmågan vid rumstemperatur för SiC-keramer förbättrats avsevärt.
Posttid: 2024-okt-24