Dôvody medzery medzi praktickou a teoretickou tepelnou vodivosťou keramiky z nitridu kremíka

Nitrid kremíka (Si₃N₄) je štrukturálny keramický materiál s vlastnou tepelnou vodivosťou okolo 320 W/(m·K), vyznačuje sa vysokou tepelnou vodivosťou a vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami. Vďaka svojej vynikajúcej stabilite pri okolitej teplote sa Si₃N4 stal široko používaným obalovým materiálom keramického substrátu pre moderný polovodičový priemysel. Existuje však značný rozpor medzi praktickou tepelnou vodivosťou Si3N4 a jeho teoretickou hodnotou. Tento článok skúma primárne faktory zodpovedné za takéto rozdiely.

1 Mriežkový kyslík

Vedenie tepla v Si3N4 sa riadi prevažne fonónovým prenosom. Nedokonalosti mriežky, vrátane voľných miest, stohovacích chýb a medzikryštalických nečistôt, zintenzívňujú rozptyl fonónov a zhoršujú tepelnú vodivosť nitridu kremíka.

Mriežkový kyslík slúži ako rozhodujúci faktor meniaci Si3N4 tepelnú vodivosť. Keď atómy kyslíka preniknú do Si3N4 mriežky, vytvoria sa kremíkové vakancie, ktoré drasticky skrátia strednú voľnú cestu fonónu a zodpovedajúcim spôsobom zníži tepelnú vodivosť. Aby sa zvýšila tepelná výkonnosť Si3N4, obsah kyslíka v surových práškoch by sa mal minimalizovať, aby sa optimalizovala spekacia aktivita, zatiaľ čo jemné počiatočné veľkosti častíc sú zachované, aby sa zablokovala ďalšia kontaminácia kyslíkom.

Bežné spekacie prísady preSi3N4sú ďalším hlavným zdrojom mriežkového kyslíka. Tieto prísady tvoria intergranulárne sekundárne fázy s tepelnou vodivosťou všeobecne pod 1 W/(m·K) v kvapalnej fáze, čo zhoršuje objemovú tepelnú vodivosť Si3N4. Existujúci výskum potvrdzuje, že použitie aditív na spekanie oxidu vzácnych zemín znižuje obsah mriežkového kyslíka, pretože iónový polomer prvkov vzácnych zemín sa znižuje. Nízkoteplotné spekanie sa uprednostňuje na zníženie výrobných nákladov Si3N4 keramických substrátov pri súčasnom zabezpečení úplného zahustenia a požadovanej veľkosti zrna.

Okrem toho mierne pridávanie práškového redukujúceho uhlíka potláča tvorbu sekundárnej fázy a zlepšuje čistotu mriežky; Na dosiahnutie zvýšenej tepelnej vodivosti by sa malo zabrániť nadmernému voľnému uhlíku.

2 Kryštalická štruktúra nitridu kremíka

Nitrid kremíka je silne kovalentná zlúčenina s molekulovou hmotnosťou 140,68. Jeho dva prevládajúce polymorfy, α-Si3N4 a β-Si3N4, oba patria do hexagonálneho kryštálového systému. Vzhľadom na to, že Si3N4 keramika sa bežne speká pri teplotách nad 1800 °C, β-Si3N4 tvorí dominantnú kryštalickú fázu v komerčne dostupných Si3N4 komponentoch.

(1) Hnacia sila pre rast zrna β-Si3N4

Zvyškový netransformovaný α-Si3N4 zostávajúci počas fázového prechodu α-na-β má výrazný negatívny vplyv na tepelnú vodivosť. Úplná fázová transformácia z α-Si3N4 na β-Si3N4 je preto nevyhnutná na uľahčenie nukleácie a rastu zŕn β-Si3N4 na zlepšenie tepelnej vodivosti.

(2) Morfológia pestovaných β-Si₃N₄ zŕn

Tepelná vodivosť výrazne stúpa so zvyšujúcou sa veľkosťou zrna β-Si3N4 a predĺžená doba žíhania ďalej zvyšuje schopnosť prenosu tepla. Akonáhle však zrná presiahnu kritický rozmer, dodatočné zhrubnutie zrna prinesie zanedbateľné zlepšenie tepelného výkonu.

3 Relatívna hustota

Relatívna hustota má výrazný vplyv na tepelnú vodivosť Si3N4. Vyššia pórovitosť vedie k evidentnej degradácii tepelnej vodivosti. Keramika Si3N4 s vysokou tepelnou vodivosťou má vo všeobecnosti zvýšenú objemovú hmotnosť a tepelnú difúziu a oxidy vzácnych zemín uľahčujú výrobu úplne hustého nitridu kremíka. Spekanie v kvapalnej fáze je nevyhnutné na uskutočnenie zahusťovania keramiky z nitridu kremíka a konečná hustota Si3N₄ sa mení v závislosti od rôznych parametrov spekania a metód spracovania. Z tohto dôvodu je výber vhodných techník spekania rozhodujúci pre výrobu keramiky Si33N4 s vysokou tepelnou vodivosťou.

Semicorex ponúka vysokú kvalitusdoska z nitridu kremíkaspre procesy tepelnej oxidácie. Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktné telefónne číslo +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com