Motive pentru decalajul dintre conductivitatea termică practică și teoretică a ceramicii cu nitrură de siliciu

Nitrura de siliciu (Si₃N₄) este un material ceramic structural cu o conductivitate termică intrinsecă de aproximativ 320 W/(m·K), cu o conductivitate termică ridicată și proprietăți mecanice remarcabile. Datorită stabilității sale superioare la temperatura mediului ambiant, Si₃N₄ a devenit un material de ambalare a substratului ceramic adoptat pe scară largă pentru industria semiconductoare modernă. Cu toate acestea, există o discrepanță notabilă între conductivitatea termică practică a Si₃N₄ și valoarea sa teoretică. Această lucrare explorează factorii principali responsabili pentru o astfel de divergență.

1 Lattice Oxigen

Conducerea căldurii în Si₃N₄ este guvernată în mod predominant de transmisia de fonon. Imperfecțiunile rețelei, inclusiv golurile, defecțiunile de stivuire și impuritățile intergranulare intensifică împrăștierea fononilor și degradează conductivitatea termică a nitrurii de siliciu.

Oxigenul reticulat servește ca factor decisiv care modifică conductivitatea termică Si₃N₄. După ce atomii de oxigen penetrează rețeaua Si₃N₄, se formează locuri libere de siliciu, scurtând drastic calea liberă medie a fononului și reducând în consecință conductivitatea termică. Pentru a crește performanța termică a Si₃N₄, conținutul de oxigen din pulberile brute ar trebui redus la minimum pentru a optimiza activitatea de sinterizare, în timp ce dimensiunile fine ale particulelor de pornire sunt păstrate pentru a bloca contaminarea suplimentară cu oxigen.

Aditivi de sinterizare convenționali ptSi₃N₄sunt o altă sursă majoră de oxigen reticulat. Acești aditivi formează faze secundare intergranulare cu conductivitate termică în general sub 1 W/(m·K) în faza lichidă, ceea ce afectează conductivitatea termică în vrac a Si₃N₄. Cercetările existente confirmă faptul că adoptarea aditivilor de sinterizare cu oxid de pământuri rare reduce conținutul de oxigen din rețea pe măsură ce raza ionică a elementelor pământurilor rare scade. Sinterizarea la temperatură joasă este preferată pentru a reduce costurile de producție ale substraturilor ceramice Si₃N₄, asigurând în același timp densificarea completă și dimensiunea dorită a granulelor.

În plus, adăugarea moderată de pulbere de carbon reducătoare suprimă formarea fazei secundare și îmbunătățește puritatea rețelei; trebuie evitat excesul de carbon liber pentru a obține o conductivitate termică ridicată.

2 Structura cristalină a nitrurii de siliciu

Nitrura de siliciu este un compus puternic covalent cu o greutate moleculară de 140,68. Cele două polimorfe predominante, α-Si₃N₄ și β-Si₃N₄, ambele aparțin sistemului cristalin hexagonal. Având în vedere că ceramica Si₃N₄ este de obicei sinterizată peste 1800 °C, β-Si₃N₄ constituie faza cristalină dominantă în componentele Si₃N₄ disponibile comercial.

(1) Forța motrice pentru creșterea cerealelor β-Si₃N₄

α-Si₃N₄ rezidual netransformat rămas în timpul tranziției de fază α-la-β impune un impact negativ pronunțat asupra conductivității termice. Prin urmare, transformarea completă de fază de la α-Si₃N₄ la β-Si₃N₄ este esențială pentru a facilita nuclearea și creșterea granulelor de β-Si₃N₄ pentru o conductivitate termică îmbunătățită.

(2) Morfologia cerealelor β-Si₃N₄ cultivate

Conductivitatea termică crește semnificativ odată cu creșterea mărimii granulelor β-Si₃N₄, iar durata prelungită de recoacere îmbunătățește și mai mult capacitatea de transfer de căldură. Cu toate acestea, odată ce boabele cresc dincolo de o dimensiune critică, îngroșarea suplimentară a cerealelor aduce o îmbunătățire neglijabilă a performanței termice.

3 Densitatea relativă

Densitatea relativă exercită o influență proeminentă asupra conductivității termice Si₃N₄. Porozitatea mai mare duce la o degradare evidentă a conductibilității termice. În general, ceramica Si₃N₄ cu conductivitate termică ridicată posedă densitate în vrac și difuzivitate termică ridicate, iar oxizii de pământuri rare facilitează fabricarea nitrurii de siliciu complet densă. Sinterizarea în fază lichidă este obligatorie pentru a realiza densificarea ceramicii cu nitrură de siliciu, iar densitatea finală a Si₃N₄ variază în funcție de diferiți parametri de sinterizare și metode de procesare. Din acest motiv, selectarea tehnicilor de sinterizare adecvate este esențială pentru fabricarea ceramicii Si₃N₄ cu conductivitate termică ridicată.

Semicorex oferă calitate înaltăsplacă de nitrură de iliconspentru procesele de oxidare termică. Dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați.

Numărul de telefon de contact +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com