Silisyum Nitrür Seramiklerin Pratik ve Teorik Isı İletkenliği Arasındaki Boşluğun Nedenleri

Silikon nitrür (Si₃N₄), yüksek termal iletkenliğe ve olağanüstü mekanik özelliklere sahip, yaklaşık 320 W/(m·K) içsel termal iletkenliğe sahip yapısal bir seramik malzemedir. Ortam sıcaklığındaki üstün stabilitesi sayesinde Si₃N₄, modern yarı iletken endüstrisi için yaygın olarak benimsenen bir seramik substrat ambalaj malzemesi haline geldi. Ancak Si₃N₄'nin pratik termal iletkenliği ile teorik değeri arasında dikkate değer bir tutarsızlık vardır. Bu makale bu tür farklılıklara neden olan temel faktörleri araştırmaktadır.

1 Kafes Oksijen

Si₃N₄'deki ısı iletimi ağırlıklı olarak fonon iletimi tarafından yönetilir. Boşluklar, istifleme hataları ve tanecikler arası safsızlıklar dahil olmak üzere kafes kusurları, fonon saçılımını yoğunlaştırır ve silikon nitrürün termal iletkenliğini bozar.

Kafes oksijeni, Si₃N₄ termal iletkenliğini değiştiren belirleyici bir faktör olarak hizmet eder. Oksijen atomları Si₃N₄ kafesine nüfuz ettikten sonra silikon boşlukları oluşur, bu da fonon ortalama serbest yolunu büyük ölçüde kısaltır ve buna bağlı olarak termal iletkenliği azaltır. Si₃N₄'nin termal performansını artırmak için, ham tozlardaki oksijen içeriği, sinterleme aktivitesini optimize etmek amacıyla en aza indirilmeli ve ekstra oksijen kontaminasyonunu engellemek için ince başlangıç ​​partikül boyutları korunmalıdır.

Geleneksel sinterleme katkı maddeleriSi₃N₄kafes oksijeninin bir diğer önemli kaynağıdır. Bu katkı maddeleri, sıvı faz içinde genellikle 1 W/(m·K)'nin altında termal iletkenliğe sahip taneler arası ikincil fazlar oluşturur ve bu, Si₃N₄'nin toplu termal iletkenliğini bozar. Mevcut araştırmalar, nadir toprak oksit sinterleme katkı maddelerinin kullanılmasının, nadir toprak elementlerinin iyon yarıçapı azaldıkça kafes oksijen içeriğini azalttığını doğrulamaktadır. Düşük sıcaklıkta sinterleme, Si₃N₄ seramik substratların üretim maliyetlerini düşürürken tam yoğunlaşmayı ve arzu edilen tane boyutunu sağlamak için tercih edilir.

Ayrıca, indirgeyici karbon tozunun orta düzeyde eklenmesi, ikincil faz oluşumunu baskılar ve kafes saflığını geliştirir; Yüksek termal iletkenlik elde etmek için aşırı serbest karbondan kaçınılmalıdır.

2 Silisyum Nitrürün Kristal Yapısı

Silisyum nitrür, molekül ağırlığı 140.68 olan güçlü bir kovalent bileşiktir. Yaygın olan iki polimorfu olan α‑Si₃N₄ ve β‑Si₃N₄'nin her ikisi de altıgen kristal sistemine aittir. Si₃N₄ seramiklerinin genellikle 1800 °C'nin üzerinde sinterlendiği göz önüne alındığında, β‑Si₃N₄ ticari olarak temin edilebilen Si₃N₄ bileşenlerinde baskın kristal fazı oluşturur.

(1) β‑Si₃N₄ Tahıl Büyümesinin İtici Gücü

α‑β'ya faz geçişi sırasında kalan, dönüştürülmemiş kalıntı α‑Si₃N₄, termal iletkenlik üzerinde belirgin bir olumsuz etki yaratır. Bu nedenle, α‑Si₃N₄'den β‑Si₃N₄'ye tam faz dönüşümü, gelişmiş termal iletkenlik için β‑Si₃N₄'nin çekirdeklenmesini ve tane büyümesini kolaylaştırmak için gereklidir.

(2) Yetiştirilen β‑Si₃N₄ Tanelerinin Morfolojisi

β‑Si₃N₄ tane boyutunun artmasıyla birlikte termal iletkenlik önemli ölçüde artar ve uzatılmış tavlama süresi, ısı transfer kapasitesini daha da artırır. Bununla birlikte, taneler kritik bir boyutun ötesine geçtiğinde, ilave tane irileşmesi, termal performansta ihmal edilebilir bir iyileşme sağlar.

3 Bağıl Yoğunluk

Bağıl yoğunluk, Si₃N₄ termal iletkenliği üzerinde belirgin bir etkiye sahiptir. Daha yüksek gözeneklilik, belirgin termal iletkenlik bozulmasına yol açar. Genel olarak, yüksek termal iletkenliğe sahip Si₃N₄ seramikleri yüksek kütle yoğunluğuna ve termal yayılıma sahiptir ve nadir toprak oksitler, tamamen yoğun silikon nitrürün üretimini kolaylaştırır. Silikon nitrür seramiklerinin yoğunlaştırılmasını gerçekleştirmek için sıvı faz sinterleme zorunludur ve Si₃N₄'nin nihai yoğunluğu, farklı sinterleme parametreleri ve işleme yöntemlerine göre değişir. Bu nedenle, yüksek ısı iletkenliğine sahip Si₃N₄ seramiklerinin üretiminde uygun sinterleme tekniklerinin seçilmesi kritik öneme sahiptir.

Semicorex yüksek kalite sunuyorssilikon nitrür plakastermal oksidasyon işlemleri için. Herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu numarası +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com