в даний часкарбід кремнію (SiC)це теплопровідний керамічний матеріал, який активно вивчається в країні та за кордоном. Теоретична теплопровідність SiC дуже висока, і деякі кристалічні форми можуть досягати 270 Вт/мК, що вже є лідером серед непровідних матеріалів. Наприклад, застосування теплопровідності SiC можна побачити в матеріалах підкладки напівпровідникових приладів, керамічних матеріалів з високою теплопровідністю, нагрівачів і нагрівальних пластин для обробки напівпровідників, матеріалів капсул для ядерного палива та газових ущільнювальних кілець для компресорних насосів.
Застосуваннякарбід кремніюв галузі напівпровідників
Шліфувальні диски та пристосування є важливим технологічним обладнанням для виробництва кремнієвих пластин у напівпровідниковій промисловості. Якщо шліфувальний диск виготовлений з чавуну або вуглецевої сталі, термін його служби невеликий, а коефіцієнт теплового розширення великий. Під час обробки кремнієвих пластин, особливо під час високошвидкісного шліфування або полірування, через знос і термічну деформацію шліфувального диска важко гарантувати площинність і паралельність кремнієвої пластини. Шліфувальний диск виготовлений зкераміка з карбіду кремніюмає низький рівень зносу завдяки своїй високій твердості, а його коефіцієнт теплового розширення в основному такий же, як у кремнієвих пластин, тому його можна шліфувати та полірувати на високій швидкості.
Крім того, при виготовленні кремнієвих пластин вони повинні пройти високотемпературну термічну обробку і часто транспортуються за допомогою кріплень з карбіду кремнію. Вони термостійкі і неруйнівні. На поверхню можна наносити алмазоподібний вуглець (DLC) та інші покриття для підвищення продуктивності, зменшення пошкодження пластини та запобігання поширенню забруднення.
Крім того, будучи представником широкозонних напівпровідникових матеріалів третього покоління, монокристалічні матеріали карбіду кремнію мають такі властивості, як широка ширина забороненої зони (приблизно в 3 рази більша, ніж у Si), висока теплопровідність (приблизно в 3,3 рази більша, ніж у Si або в 10 разів у GaAs), висока швидкість міграції насичення електронів (приблизно в 2,5 рази більше, ніж у Si) і сильне електричне поле пробою (приблизно в 10 разів більше, ніж у Si або в 5 разів більше, ніж у GaAs). Пристрої SiC компенсують недоліки традиційних пристроїв із напівпровідникових матеріалів у практичних застосуваннях і поступово стають основним потоком силових напівпровідників.
Попит на кераміку з карбіду кремнію з високою теплопровідністю різко зріс
З безперервним розвитком науки та технологій різко зріс попит на застосування кераміки з карбіду кремнію в області напівпровідників, і висока теплопровідність є ключовим показником для її застосування в компонентах обладнання для виробництва напівпровідників. Тому вкрай важливо посилити дослідження кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю. Зменшення вмісту кисню в решітці, підвищення щільності і розумне регулювання розподілу другої фази в решітці є основними методами поліпшення теплопровідності карбідокремнієвої кераміки.
На даний момент у моїй країні проведено кілька досліджень кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю, і все ще є великий розрив порівняно зі світовим рівнем. Майбутні напрямки досліджень включають:
● Посилити дослідження процесу підготовки керамічного порошку карбіду кремнію. Приготування порошку карбіду кремнію високої чистоти з низьким вмістом кисню є основою для приготування кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю;
● Посилити вибір допоміжних засобів для спікання та відповідні теоретичні дослідження;
● Посилити дослідження та розробку високоякісного обладнання для спікання. Регулювання процесу спікання для отримання прийнятної мікроструктури є необхідною умовою для отримання кераміки з карбіду кремнію з високою теплопровідністю.
Заходи щодо підвищення теплопровідності карбідокремнієвої кераміки
Ключ до покращення теплопровідності кераміки SiC полягає в зменшенні частоти розсіювання фононів і збільшенні довжини вільного пробігу фононів. Теплопровідність SiC буде ефективно покращена за рахунок зменшення пористості та щільності меж зерен кераміки SiC, покращення чистоти меж зерен SiC, зменшення домішок або дефектів решітки SiC та збільшення носія передачі теплового потоку в SiC. В даний час оптимізація типу та вмісту допоміжних речовин для спікання та високотемпературна термічна обробка є основними заходами для покращення теплопровідності кераміки SiC.
① Оптимізація типу та вмісту допоміжних речовин для спікання
При виготовленні SiC-кераміки з високою теплопровідністю часто додають різні добавки для спікання. Серед них тип і вміст допоміжних речовин для спікання мають великий вплив на теплопровідність кераміки SiC. Наприклад, елементи Al або O в допоміжних засобах спікання системи Al2O3 легко розчиняються в решітці SiC, що призводить до утворення вакансій і дефектів, що призводить до збільшення частоти розсіювання фононів. Крім того, якщо вміст допоміжних речовин для спікання низький, матеріал важко спікати та ущільнювати, тоді як високий вміст допоміжних речовин для спікання призведе до збільшення домішок і дефектів. Надмірна рідка фаза допоміжних засобів спікання може також пригнічувати ріст зерен SiC і зменшувати середню довжину вільного пробігу фононів. Тому, щоб приготувати SiC-кераміку з високою теплопровідністю, необхідно максимально знизити вміст спікаючих допоміжних речовин, дотримуючись вимог щодо щільності спікання, і намагатися вибирати спікаючі допоміжні речовини, які важко розчиняються в решітці SiC.
*Теплові властивості кераміки SiC з додаванням різних допоміжних речовин спікання
В даний час кераміка SiC гарячого пресування, спечена з BeO як допоміжний засіб для спікання, має максимальну теплопровідність при кімнатній температурі (270 Вт·м-1·K-1). Однак BeO є високотоксичним і канцерогенним матеріалом, і він не підходить для широкого застосування в лабораторіях або промислових галузях. Найнижча евтектична точка системи Y2O3-Al2O3 становить 1760 ℃, що є загальною рідинною фазою для спікання кераміки SiC. Однак, оскільки Al3+ легко розчиняється в решітці SiC, коли ця система використовується як допоміжний засіб для спікання, теплопровідність SiC кераміки за кімнатної температури становить менше 200 Вт·м-1·K-1.
Рідкоземельні елементи, такі як Y, Sm, Sc, Gd і La, важко розчиняються в решітці SiC і мають високу спорідненість до кисню, що може ефективно зменшити вміст кисню в решітці SiC. Таким чином, система Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) є звичайною допоміжною добавкою для спікання для виготовлення SiC кераміки з високою теплопровідністю (>200 Вт·м-1·K-1). Взявши як приклад засіб для спікання системи Y2O3-Sc2O3, значення відхилення іонів Y3+ і Si4+ є великим, і вони не піддаються твердому розчину. Розчинність Sc у чистому SiC при 1800~2600 ℃ мала, приблизно (2~3)×1017 атомів·см-3.
② Високотемпературна термообробка
Високотемпературна термічна обробка кераміки SiC сприяє усуненню дефектів гратки, дислокацій і залишкових напруг, сприяє структурному перетворенню деяких аморфних матеріалів у кристали та послаблює ефект розсіювання фононів. Крім того, високотемпературна термічна обробка може ефективно сприяти зростанню зерен SiC і в кінцевому підсумку покращити теплові властивості матеріалу. Наприклад, після високотемпературної термічної обробки при 1950°C коефіцієнт теплопровідності SiC-кераміки збільшився з 83,03 мм2·с-1 до 89,50 мм2·с-1, а теплопровідність за кімнатної температури зросла з 180,94 Вт·м від -1·K-1 до 192,17 Вт·м-1·K-1. Високотемпературна термічна обробка ефективно покращує здатність до розкислення допоміжної речовини для спікання на поверхні та решітці SiC і робить зв’язок між зернами SiC більш міцним. Після високотемпературної термічної обробки теплопровідність кераміки SiC при кімнатній температурі була значно покращена.
Час публікації: 24 жовтня 2024 р