Причини за јазот помеѓу практичната и теоретската топлинска спроводливост на силициум нитридната керамика

Силициум нитрид (Si3N4) е структурен керамички материјал со внатрешна топлинска спроводливост околу 320 W/(m·K), кој се карактеризира со висока топлинска спроводливост и извонредни механички својства. Благодарение на неговата супериорна стабилност при амбиентална температура, Si3N4 стана широко прифатен материјал за пакување на керамичката подлога за модерната полупроводничка индустрија. Сепак, постои забележителна несовпаѓање помеѓу практичната топлинска спроводливост на Si3N4 и неговата теоретска вредност. Овој труд ги истражува примарните фактори одговорни за таквата дивергенција.

1 Решетка кислород

Топлинската спроводливост во Si3N4 е доминантно регулирана со пренос на фонон. Несовршеностите на решетката, вклучувајќи празни места, дефекти на натрупување и меѓугрануларни нечистотии, го интензивираат расејувањето на фононот и ја намалуваат топлинската спроводливост на силициум нитрид.

Решеткиот кислород служи како одлучувачки фактор кој ја менува топлинската спроводливост на Si3N4. Откако атомите на кислород ќе навлезат во решетката Si3N4, се формираат празни места на силициум, што драстично го скратува слободниот пат на средната вредност на фононот и соодветно ја намалува топлинската спроводливост. За да се зајакнат термичките перформанси на Si3N4, содржината на кислород во сировиот прашок треба да се минимизира за да се оптимизира активноста на синтерување, додека малите почетни честички се задржуваат за да се блокира дополнителната кислородна контаминација.

Конвенционалните адитиви за синтерување заSi₃N4се уште еден главен извор на решетки кислород. Овие адитиви формираат интергрануларни секундарни фази со топлинска спроводливост генерално под 1 W/(m·K) во течната фаза, што ја нарушува масовната топлинска спроводливост на Si3N4. Постојните истражувања потврдуваат дека усвојувањето на адитиви за синтерување со ретки земјини оксиди ја намалува содржината на кислород во решетката бидејќи јонскиот радиус на елементите од ретки земји се намалува. Се претпочита синтерување на ниски температури за да се намалат трошоците за производство на керамичките подлоги Si3N4 додека се обезбедува целосна згуснување и посакуваната големина на зрно.

Понатаму, умереното додавање на редуцирачки јаглероден прав го потиснува формирањето на секундарната фаза и ја подобрува чистотата на решетката; треба да се избегнува прекумерен слободен јаглерод за да се постигне зголемена топлинска спроводливост.

2 Кристална структура на силициум нитрид

Силициум нитрид е силно ковалентно соединение со молекуларна тежина од 140,68. Неговите два распространети полиморфи, α‑Si3N4 и β‑Si3N4, и двата припаѓаат на хексагоналниот кристален систем. Имајќи предвид дека керамиката Si3N4 најчесто се синтерува над 1800 °C, β-Si3N4 ја сочинува доминантната кристална фаза во комерцијално достапните компоненти Si3N4.

(1) Движечка сила за раст на жито β‑Si3N4

Преостанатиот нетрансформиран α-Si3N4 што останува за време на транзицијата на фазата α-на-β наметнува изразено негативно влијание врз топлинската спроводливост. Оттука, целосната фазна трансформација од α-Si3N4 во β-Si3N4 е од суштинско значење за да се олесни нуклеацијата и растот на зрната на β-Si3N4 за подобрена топлинска спроводливост.

(2) Морфологија на одгледани β-Si3N4 зрна

Топлинската спроводливост значително се зголемува со зголемување на големината на зрната β-Si3N4, а продолженото времетраење на жарењето дополнително ја подобрува способноста за пренос на топлина. Меѓутоа, штом зрната ќе пораснат надвор од критичната димензија, дополнителното крупнување на зрната носи занемарливо подобрување на топлинските перформанси.

3 Релативна густина

Релативната густина има истакнато влијание врз топлинската спроводливост Si3N4. Поголемата порозност доведува до очигледна деградација на топлинската спроводливост. Општо земено, керамиката со висока топлинска спроводливост Si₃N4 поседува зголемена волуменска густина и топлинска дифузија, а оксидите од ретки земји го олеснуваат производството на целосно густ силициум нитрид. Синтерувањето во течна фаза е задолжително за да се реализира згуснување на силициум нитридната керамика и крајната густина на Si3N4 варира под различни параметри на синтерување и методи на обработка. Поради оваа причина, изборот на соодветни техники на синтерување е од клучно значење за производство на керамика со висока топлинска спроводливост Si3N4.

Semicorex нуди висок квалитетsплоча со икононитридsза процесите на термичка оксидација. Ако имате какви било прашања или ви требаат дополнителни детали, не двоумете се да стапите во контакт со нас.

Контакт телефон +86-13567891907

Е-пошта: sales@semicorex.com