Λόγοι για το χάσμα μεταξύ της πρακτικής και της θεωρητικής θερμικής αγωγιμότητας κεραμικών νιτριδίου πυριτίου

Το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) είναι ένα δομικό κεραμικό υλικό με εγγενή θερμική αγωγιμότητα περίπου 320 W/(m·K), με υψηλή θερμική αγωγιμότητα και εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Χάρη στην ανώτερη σταθερότητά του σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, το Si3N4 έχει γίνει ένα ευρέως διαδεδομένο υλικό συσκευασίας κεραμικού υποστρώματος για τη σύγχρονη βιομηχανία ημιαγωγών. Ωστόσο, υπάρχει μια αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ της πρακτικής θερμικής αγωγιμότητας του Si3N4 και της θεωρητικής τιμής του. Αυτό το άρθρο διερευνά τους κύριους παράγοντες που ευθύνονται για μια τέτοια απόκλιση.

1 Διχτυωτό Οξυγόνο

Η αγωγιμότητα της θερμότητας στο Si3N4 διέπεται κυρίως από τη μετάδοση φωνονίων. Οι ατέλειες του πλέγματος, συμπεριλαμβανομένων των κενών, των σφαλμάτων στοίβαξης και των διακοκκωδών ακαθαρσιών εντείνουν τη σκέδαση φωνονίων και υποβαθμίζουν τη θερμική αγωγιμότητα του νιτριδίου του πυριτίου.

Το δικτυωτό οξυγόνο χρησιμεύει ως αποφασιστικός παράγοντας που μεταβάλλει τη θερμική αγωγιμότητα του Si3N4. Αφού τα άτομα οξυγόνου διεισδύσουν στο πλέγμα Si3N4, σχηματίζονται κενά πυριτίου, μειώνοντας δραστικά την ελεύθερη διαδρομή του μέσου φωνονίου και μειώνοντας ανάλογα τη θερμική αγωγιμότητα. Για να ενισχυθεί η θερμική απόδοση του Si3N4, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στις ακατέργαστες σκόνες θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί για να βελτιστοποιηθεί η δραστηριότητα πυροσυσσωμάτωσης, ενώ τα λεπτά μεγέθη σωματιδίων εκκίνησης διατηρούνται για να εμποδίσουν την πρόσθετη μόλυνση οξυγόνου.

Συμβατικά πρόσθετα πυροσυσσωμάτωσης γιαSi3N4είναι μια άλλη σημαντική πηγή πλέγματος οξυγόνου. Αυτά τα πρόσθετα σχηματίζουν ενδοκοκκώδεις δευτερεύουσες φάσεις με θερμική αγωγιμότητα γενικά κάτω από 1 W/(m·K) εντός της υγρής φάσης, η οποία βλάπτει τη μαζική θερμική αγωγιμότητα του Si3N4. Η υπάρχουσα έρευνα επιβεβαιώνει ότι η υιοθέτηση προσθέτων πυροσυσσωμάτωσης οξειδίων σπάνιων γαιών μειώνει την περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο πλέγμα καθώς μειώνεται η ιοντική ακτίνα των στοιχείων σπανίων γαιών. Προτιμάται η πυροσυσσωμάτωση σε χαμηλή θερμοκρασία για τη μείωση του κόστους παραγωγής των κεραμικών υποστρωμάτων Si3N4, διασφαλίζοντας παράλληλα την πλήρη πυκνότητα και το επιθυμητό μέγεθος κόκκων.

Επιπλέον, η μέτρια προσθήκη σκόνης αναγωγής άνθρακα καταστέλλει τον σχηματισμό δευτερογενούς φάσης και βελτιώνει την καθαρότητα του πλέγματος. Ο υπερβολικός ελεύθερος άνθρακας θα πρέπει να αποφεύγεται για να επιτευχθεί αυξημένη θερμική αγωγιμότητα.

2 Κρυσταλλική Δομή Νιτριδίου Πυριτίου

Το νιτρίδιο του πυριτίου είναι μια ισχυρά ομοιοπολική ένωση με μοριακό βάρος 140,68. Τα δύο διαδεδομένα πολύμορφά του, α-Si3N4 και β-Si3N4, ανήκουν και τα δύο στο εξαγωνικό κρυσταλλικό σύστημα. Δεδομένου ότι τα κεραμικά Si3N4 συνήθως πυροσυσσωματώνονται πάνω από τους 1800 °C, το β-Si3N4 αποτελεί την κυρίαρχη κρυσταλλική φάση στα εμπορικά διαθέσιμα συστατικά Si3N4.

(1) Κινητήρια δύναμη για την ανάπτυξη κόκκων β-Si3N4

Το υπόλοιπο μη μετασχηματισμένο α-Si3N4 που παραμένει κατά τη μετάβαση φάσης α-προς-β επιβάλλει έντονο αρνητικό αντίκτυπο στη θερμική αγωγιμότητα. Ως εκ τούτου, ο πλήρης μετασχηματισμός φάσης από α-Si3N4 σε β-Si3N4 είναι απαραίτητος για τη διευκόλυνση της δημιουργίας πυρήνων και της ανάπτυξης κόκκων του β-Si3N4 για βελτιωμένη θερμική αγωγιμότητα.

(2) Μορφολογία καλλιεργημένων κόκκων β-Si3N4

Η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση του μεγέθους των κόκκων β-Si3N4 και η παρατεταμένη διάρκεια ανόπτησης ενισχύει περαιτέρω την ικανότητα μεταφοράς θερμότητας. Ωστόσο, όταν οι κόκκοι μεγαλώσουν πέρα ​​από μια κρίσιμη διάσταση, η πρόσθετη χονδροποίηση των κόκκων φέρνει αμελητέα βελτίωση στη θερμική απόδοση.

3 Σχετική πυκνότητα

Η σχετική πυκνότητα ασκεί σημαντική επίδραση στη θερμική αγωγιμότητα Si3N4. Το υψηλότερο πορώδες οδηγεί σε εμφανή υποβάθμιση της θερμικής αγωγιμότητας. Γενικά, τα κεραμικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας Si3N4 διαθέτουν αυξημένη πυκνότητα όγκου και θερμική διάχυση και τα οξείδια των σπάνιων γαιών διευκολύνουν την κατασκευή πλήρως πυκνού νιτριδίου του πυριτίου. Η πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης είναι υποχρεωτική για να πραγματοποιηθεί η συμπύκνωση των κεραμικών νιτριδίου του πυριτίου και η τελική πυκνότητα του Si3N4 ποικίλλει υπό διαφορετικές παραμέτρους πυροσυσσωμάτωσης και μεθόδους επεξεργασίας. Για το λόγο αυτό, η επιλογή κατάλληλων τεχνικών πυροσυσσωμάτωσης είναι κρίσιμη για την κατασκευή κεραμικών υψηλής θερμικής αγωγιμότητας Si3N4.

Το Semicorex προσφέρει υψηλή ποιότηταsπλάκα νιτριδίου εικονιδίουsγια διεργασίες θερμικής οξείδωσης. Εάν έχετε οποιαδήποτε απορία ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com