Şu anda,silisyum karbür (SiC)yurt içinde ve yurt dışında aktif olarak çalışılan, termal olarak iletken bir seramik malzemedir. SiC'nin teorik termal iletkenliği çok yüksektir ve bazı kristal formları, iletken olmayan malzemeler arasında zaten lider olan 270W/mK'ye ulaşabilir. Örneğin, SiC termal iletkenliğinin uygulanması, yarı iletken cihazların alt katman malzemelerinde, yüksek termal iletkenliğe sahip seramik malzemelerde, yarı iletken işleme için ısıtıcılar ve ısıtma plakalarında, nükleer yakıt için kapsül malzemelerinde ve kompresör pompaları için gaz sızdırmazlık halkalarında görülebilir.
Uygulamasısilisyum karbüryarı iletken alanında
Taşlama diskleri ve fikstürleri, yarı iletken endüstrisinde silikon levha üretimi için önemli proses ekipmanlarıdır. Taşlama diski dökme demirden veya karbon çeliğinden yapılmışsa servis ömrü kısadır ve termal genleşme katsayısı büyüktür. Silikon levhaların işlenmesi sırasında, özellikle yüksek hızda taşlama veya cilalama sırasında, taşlama diskinin aşınması ve termal deformasyonu nedeniyle, silikon levhanın düzlüğünün ve paralelliğinin garanti edilmesi zordur. Taşlama diski aşağıdakilerden yapılmıştır:silisyum karbür seramiklerYüksek sertliği nedeniyle aşınması düşüktür ve termal genleşme katsayısı temel olarak silikon levhalarınkiyle aynıdır, bu nedenle yüksek hızda taşlanabilir ve cilalanabilir.
Ek olarak, silikon levhalar üretildiğinde, bunların yüksek sıcaklıkta ısıl işleme tabi tutulması gerekir ve genellikle silisyum karbür donanımlar kullanılarak taşınırlar. Isıya dayanıklıdırlar ve tahribatsızdırlar. Performansı artırmak, levha hasarını azaltmak ve kirlenmenin yayılmasını önlemek için yüzeye elmas benzeri karbon (DLC) ve diğer kaplamalar uygulanabilir.
Ayrıca, üçüncü nesil geniş bant aralıklı yarı iletken malzemelerin bir temsilcisi olarak silisyum karbür tek kristal malzemeler, geniş bant aralığı genişliği (Si'nin yaklaşık 3 katı), yüksek termal iletkenlik (Si'nin yaklaşık 3,3 katı veya 10 katı) gibi özelliklere sahiptir. GaAs'ınkine göre), yüksek elektron doygunluğu göç hızına (Si'nin yaklaşık 2,5 katı) ve yüksek arıza elektrik alanına (Si'nin yaklaşık 10 katı veya GaAs'ın 5 katı) sahiptir. SiC cihazları, pratik uygulamalardaki geleneksel yarı iletken malzeme cihazlarının kusurlarını telafi ediyor ve yavaş yavaş güç yarı iletkenlerinin ana akımı haline geliyor.
Yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramiklere olan talep önemli ölçüde arttı
Bilim ve teknolojinin sürekli gelişmesiyle birlikte, silisyum karbür seramiklerin yarı iletken alanında uygulanmasına yönelik talep önemli ölçüde arttı ve yüksek termal iletkenlik, yarı iletken imalat ekipmanı bileşenlerindeki uygulamasının önemli bir göstergesidir. Bu nedenle yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramikleri üzerine yapılan araştırmaların güçlendirilmesi çok önemlidir. Kafes oksijen içeriğini azaltmak, yoğunluğu arttırmak ve ikinci fazın kafes içindeki dağılımını makul şekilde düzenlemek, silisyum karbür seramiklerin termal iletkenliğini iyileştirmenin ana yöntemleridir.
Şu anda ülkemde yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramikler üzerine az sayıda çalışma bulunmaktadır ve dünya düzeyiyle karşılaştırıldığında hala büyük bir boşluk bulunmaktadır. Gelecekteki araştırma yönleri şunları içerir:
● Silisyum karbür seramik tozunun hazırlama süreci araştırmasını güçlendirin. Yüksek saflıkta, düşük oksijenli silisyum karbür tozunun hazırlanması, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramiklerin hazırlanmasının temelini oluşturur;
● Sinterleme yardımcılarının seçiminin ve ilgili teorik araştırmaların güçlendirilmesi;
●Üst düzey sinterleme ekipmanlarının araştırma ve geliştirmesini güçlendirin. Makul bir mikro yapı elde etmek için sinterleme işleminin düzenlenmesi, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum karbür seramiklerin elde edilmesi için gerekli bir durumdur.
Silisyum karbür seramiklerin termal iletkenliğini iyileştirmeye yönelik önlemler
SiC seramiklerinin termal iletkenliğini iyileştirmenin anahtarı, fonon saçılma frekansını azaltmak ve fonon ortalama serbest yolunu arttırmaktır. SiC'nin termal iletkenliği, SiC seramiklerinin gözenekliliğini ve tane sınırı yoğunluğunu azaltarak, SiC tane sınırlarının saflığını artırarak, SiC kafes safsızlıklarını veya kafes kusurlarını azaltarak ve SiC'deki ısı akışı iletim taşıyıcısını artırarak etkili bir şekilde iyileştirilecektir. Şu anda, sinterleme yardımcılarının türü ve içeriğinin optimize edilmesi ve yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, SiC seramiklerinin termal iletkenliğini iyileştirmeye yönelik ana önlemlerdir.
① Sinterleme yardımcılarının türü ve içeriğinin optimize edilmesi
Yüksek ısı iletkenliğine sahip SiC seramikleri hazırlanırken sıklıkla çeşitli sinterleme yardımcıları eklenir. Bunlar arasında sinterleme yardımcılarının türü ve içeriği SiC seramiklerinin termal iletkenliği üzerinde büyük etkiye sahiptir. Örneğin, Al2O3 sistemi sinterleme yardımcılarındaki Al veya O elemanları, SiC kafesinde kolaylıkla çözünerek boşluklara ve kusurlara neden olur, bu da fonon saçılma frekansında bir artışa yol açar. Ayrıca sinterleme yardımcılarının içeriği düşükse malzemenin sinterlenmesi ve yoğunlaştırılması zorlaşırken, sinterleme yardımcılarının yüksek içeriği safsızlıkların ve kusurların artmasına neden olacaktır. Aşırı sıvı faz sinterleme yardımcıları ayrıca SiC tanelerinin büyümesini engelleyebilir ve fononların ortalama serbest yolunu azaltabilir. Bu nedenle, yüksek ısı iletkenliğine sahip SiC seramikleri hazırlamak için, sinterleme yoğunluğu gerekliliklerini karşılarken sinterleme yardımcılarının içeriğini mümkün olduğunca azaltmak ve SiC kafesinde çözülmesi zor olan sinterleme yardımcılarını seçmeye çalışmak gerekir.
*Farklı sinterleme yardımcıları eklendiğinde SiC seramiklerinin termal özellikleri
Şu anda, sinterlemeye yardımcı olarak BeO ile sinterlenen sıcak preslenmiş SiC seramikleri, oda sıcaklığında maksimum termal iletkenliğe (270W·m-1·K-1) sahiptir. Ancak BeO oldukça toksik ve kanserojen bir maddedir ve laboratuvarlarda veya endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaya uygun değildir. Y2O3-Al2O3 sisteminin en düşük ötektik noktası 1760°C'dir ve bu, SiC seramikleri için yaygın bir sıvı faz sinterleme yardımcısıdır. Bununla birlikte, Al3+, SiC kafesinde kolaylıkla çözündüğünden, bu sistem sinterlemeye yardımcı olarak kullanıldığında, SiC seramiklerinin oda sıcaklığındaki termal iletkenliği 200W·m-1·K-1'den azdır.
Y, Sm, Sc, Gd ve La gibi nadir toprak elementleri SiC kafesinde kolayca çözünmez ve yüksek oksijen afinitesine sahiptir, bu da SiC kafesinin oksijen içeriğini etkili bir şekilde azaltabilir. Bu nedenle Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) sistemi, yüksek ısı iletkenliğine sahip (>200W·m-1·K-1) SiC seramiklerinin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılan bir sinterleme yardımcısıdır. Y2O3-Sc2O3 sistemi sinterleme yardımını örnek alırsak, Y3+ ve Si4+'nın iyon sapma değeri büyüktür ve ikisi katı çözeltiye girmez. Sc'nin 1800~2600°C'de saf SiC içindeki çözünürlüğü küçüktür, yaklaşık (2~3)×1017 atom·cm-3.
② Yüksek sıcaklıkta ısıl işlem
SiC seramiklerinin yüksek sıcaklıkta ısıl işlemi, kafes kusurlarını, dislokasyonları ve artık gerilimleri ortadan kaldırmaya, bazı amorf malzemelerin kristallere yapısal dönüşümünü teşvik etmeye ve fonon saçılma etkisini zayıflatmaya yardımcı olur. Ek olarak, yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, SiC taneciklerinin büyümesini etkili bir şekilde destekleyebilir ve sonuçta malzemenin termal özelliklerini iyileştirebilir. Örneğin, 1950°C'de yüksek sıcaklıkta ısıl işlemden sonra SiC seramiklerinin termal difüzyon katsayısı 83,03mm2·s-1'den 89,50mm2·s-1'e yükseldi ve oda sıcaklığındaki termal iletkenlik 180,94W·m'den arttı -1·K-1 ila 192,17W·m-1·K-1. Yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, sinterleme yardımcısının SiC yüzeyi ve kafes üzerindeki deoksidasyon yeteneğini etkili bir şekilde geliştirir ve SiC taneleri arasındaki bağlantıyı daha sıkı hale getirir. Yüksek sıcaklıkta ısıl işlemden sonra SiC seramiklerinin oda sıcaklığındaki ısıl iletkenliği önemli ölçüde iyileştirildi.
Gönderim zamanı: 24 Ekim 2024