Sa kasalukuyan,silikon karbida (SiC)ay isang thermally conductive ceramic na materyal na aktibong pinag-aaralan sa loob at labas ng bansa. Ang teoretikal na thermal conductivity ng SiC ay napakataas, at ang ilang mga kristal na anyo ay maaaring umabot sa 270W/mK, na isa nang nangunguna sa mga non-conductive na materyales. Halimbawa, ang aplikasyon ng SiC thermal conductivity ay makikita sa substrate materials ng semiconductor device, high thermal conductivity ceramic materials, heater at heating plates para sa semiconductor processing, capsule materials para sa nuclear fuel, at gas sealing ring para sa compressor pump.
Paglalapat ngsilikon karbidsa larangan ng semiconductor
Ang mga grinding disc at fixture ay mahalagang kagamitan sa proseso para sa paggawa ng silicon wafer sa industriya ng semiconductor. Kung ang grinding disc ay gawa sa cast iron o carbon steel, ang buhay ng serbisyo nito ay maikli at ang thermal expansion coefficient nito ay malaki. Sa panahon ng pagproseso ng mga silicon wafer, lalo na sa panahon ng high-speed grinding o polishing, dahil sa pagkasira at thermal deformation ng grinding disc, ang flatness at parallelism ng silicon wafer ay mahirap igarantiya. Ang nakakagiling na disc na gawa sasilicon carbide ceramicsay may mababang pagkasira dahil sa mataas na katigasan nito, at ang thermal expansion coefficient nito ay karaniwang kapareho ng sa mga wafer ng silicon, kaya maaari itong durugin at pulido sa mataas na bilis.
Bilang karagdagan, kapag ginawa ang mga wafer ng silikon, kailangan nilang sumailalim sa paggamot sa init na may mataas na temperatura at kadalasang dinadala gamit ang mga fixture ng silicon carbide. Ang mga ito ay lumalaban sa init at hindi nakakasira. Maaaring ilapat sa ibabaw ang tulad ng diamante na carbon (DLC) at iba pang coatings para mapahusay ang performance, mapawi ang pinsala sa wafer, at maiwasan ang pagkalat ng kontaminasyon.
Higit pa rito, bilang isang kinatawan ng mga third-generation wide-bandgap semiconductor na materyales, ang silicon carbide na solong kristal na materyales ay may mga katangian tulad ng malaking lapad ng bandgap (mga 3 beses kaysa sa Si), mataas na thermal conductivity (mga 3.3 beses kaysa sa Si o 10 beses ng GaAs), mataas na rate ng paglipat ng saturation ng elektron (mga 2.5 beses kaysa sa Si) at mataas na pagkasira ng electric field (mga 10 beses kaysa sa Si o 5 beses kaysa sa GaAs). Ang mga SiC device ay bumubuo sa mga depekto ng mga tradisyunal na semiconductor material device sa mga praktikal na aplikasyon at unti-unting nagiging mainstream ng power semiconductors.
Ang pangangailangan para sa mataas na thermal conductivity ng silicon carbide ceramics ay tumaas nang husto
Sa patuloy na pag-unlad ng agham at teknolohiya, ang pangangailangan para sa aplikasyon ng silicon carbide ceramics sa larangan ng semiconductor ay tumaas nang husto, at ang mataas na thermal conductivity ay isang pangunahing tagapagpahiwatig para sa aplikasyon nito sa mga bahagi ng kagamitan sa paggawa ng semiconductor. Samakatuwid, napakahalaga na palakasin ang pananaliksik sa mataas na thermal conductivity ng silicon carbide ceramics. Ang pagbabawas ng nilalaman ng oxygen sa sala-sala, pagpapabuti ng density, at makatwirang pag-regulate ng pamamahagi ng ikalawang yugto sa sala-sala ay ang mga pangunahing pamamaraan upang mapabuti ang thermal conductivity ng silicon carbide ceramics.
Sa kasalukuyan, kakaunti ang mga pag-aaral sa mataas na thermal conductivity ng silicon carbide ceramics sa aking bansa, at mayroon pa ring malaking agwat kumpara sa antas ng mundo. Ang mga direksyon sa hinaharap na pananaliksik ay kinabibilangan ng:
●Palakasin ang proseso ng paghahanda ng pananaliksik ng silicon carbide ceramic powder. Ang paghahanda ng high-purity, low-oxygen silicon carbide powder ay ang batayan para sa paghahanda ng mataas na thermal conductivity silicon carbide ceramics;
● Palakasin ang pagpili ng mga pantulong sa sintering at kaugnay na teoretikal na pananaliksik;
●Palakasin ang pananaliksik at pagpapaunlad ng mga high-end na kagamitan sa sintering. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng proseso ng sintering upang makakuha ng isang makatwirang microstructure, ito ay isang kinakailangang kondisyon upang makakuha ng mataas na thermal conductivity ng silicon carbide ceramics.
Mga hakbang upang mapabuti ang thermal conductivity ng silicon carbide ceramics
Ang susi sa pagpapabuti ng thermal conductivity ng SiC ceramics ay upang bawasan ang dalas ng phonon scattering at dagdagan ang phonon mean free path. Ang thermal conductivity ng SiC ay epektibong mapapabuti sa pamamagitan ng pagbabawas ng porosity at grain boundary density ng SiC ceramics, pagpapabuti ng kadalisayan ng SiC grain boundaries, pagbabawas ng SiC lattice impurities o lattice defects, at pagtaas ng heat flow transmission carrier sa SiC. Sa kasalukuyan, ang pag-optimize sa uri at nilalaman ng mga sintering aid at high-temperature heat treatment ay ang mga pangunahing hakbang upang mapabuti ang thermal conductivity ng SiC ceramics.
① Pag-optimize sa uri at nilalaman ng mga tulong sa sintering
Ang iba't ibang mga sintering aid ay madalas na idinaragdag kapag naghahanda ng mataas na thermal conductivity na SiC ceramics. Kabilang sa mga ito, ang uri at nilalaman ng sintering aid ay may malaking impluwensya sa thermal conductivity ng SiC ceramics. Halimbawa, ang mga elemento ng Al o O sa Al2O3 system sintering aid ay madaling natutunaw sa SiC lattice, na nagreresulta sa mga bakante at mga depekto, na humahantong sa pagtaas ng dalas ng phonon scattering. Bilang karagdagan, kung ang nilalaman ng sintering aid ay mababa, ang materyal ay mahirap i-sinter at densify, habang ang isang mataas na nilalaman ng sintering aid ay hahantong sa pagtaas ng mga impurities at mga depekto. Ang sobrang likidong phase sintering aid ay maaari ding makahadlang sa paglaki ng SiC grains at mabawasan ang ibig sabihin ng libreng landas ng mga phonon. Samakatuwid, upang maihanda ang mataas na thermal conductivity ng SiC ceramics, kinakailangang bawasan ang nilalaman ng mga sintering aid hangga't maaari habang natutugunan ang mga kinakailangan ng sintering density, at subukang pumili ng mga sintering aid na mahirap matunaw sa SiC lattice.
*Thermal properties ng SiC ceramics kapag idinagdag ang iba't ibang sintering aid
Sa kasalukuyan, ang hot-pressed SiC ceramics na sintered gamit ang BeO bilang isang sintering aid ay may pinakamataas na temperatura ng silid na thermal conductivity (270W·m-1·K-1). Gayunpaman, ang BeO ay isang lubos na nakakalason na materyal at carcinogenic, at hindi angkop para sa malawakang paggamit sa mga laboratoryo o industriyal na larangan. Ang pinakamababang eutectic point ng Y2O3-Al2O3 system ay 1760 ℃, na isang karaniwang liquid-phase sintering aid para sa SiC ceramics. Gayunpaman, dahil madaling matunaw ang Al3+ sa SiC lattice, kapag ginamit ang system na ito bilang isang sintering aid, ang thermal conductivity ng room-temperature ng SiC ceramics ay mas mababa sa 200W·m-1·K-1.
Ang mga rare earth elements tulad ng Y, Sm, Sc, Gd at La ay hindi madaling matunaw sa SiC lattice at may mataas na oxygen affinity, na maaaring epektibong mabawasan ang oxygen na nilalaman ng SiC lattice. Samakatuwid, ang Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) system ay isang karaniwang sintering aid para sa paghahanda ng mataas na thermal conductivity (>200W·m-1·K-1) SiC ceramics. Ang pagkuha ng Y2O3-Sc2O3 system sintering aid bilang isang halimbawa, ang ion deviation value ng Y3+ at Si4+ ay malaki, at ang dalawa ay hindi sumasailalim sa solidong solusyon. Ang solubility ng Sc sa purong SiC sa 1800~2600 ℃ ay maliit, mga (2~3) × 1017atoms·cm-3.
② Paggamot ng init sa mataas na temperatura
Ang mataas na temperatura na heat treatment ng SiC ceramics ay nakakatulong sa pag-aalis ng mga depekto sa sala-sala, dislokasyon at mga natitirang stress, na nagtataguyod ng pagbabagong istruktura ng ilang amorphous na materyales sa mga kristal, at nagpapahina sa epekto ng phonon scattering. Bilang karagdagan, ang mataas na temperatura na paggamot sa init ay maaaring epektibong magsulong ng paglaki ng mga butil ng SiC, at sa huli ay mapabuti ang mga thermal properties ng materyal. Halimbawa, pagkatapos ng high-temperature heat treatment sa 1950°C, ang thermal diffusion coefficient ng SiC ceramics ay tumaas mula 83.03mm2·s-1 hanggang 89.50mm2·s-1, at ang room-temperature thermal conductivity ay tumaas mula 180.94W·m -1·K-1 hanggang 192.17W·m-1·K-1. Ang paggamot sa init na may mataas na temperatura ay epektibong nagpapabuti sa kakayahan sa deoxidation ng sintering aid sa ibabaw ng SiC at sala-sala, at ginagawang mas mahigpit ang koneksyon sa pagitan ng mga butil ng SiC. Pagkatapos ng high-temperature heat treatment, ang room-temperature thermal conductivity ng SiC ceramics ay makabuluhang napabuti.
Oras ng post: Okt-24-2024