Razlogi za vrzel med praktično in teoretično toplotno prevodnostjo keramike iz silicijevega nitrida

Silicijev nitrid (Si₃N₄) je strukturni keramični material z intrinzično toplotno prevodnostjo okoli 320 W/(m·K), ki se ponaša z visoko toplotno prevodnostjo in izjemnimi mehanskimi lastnostmi. Zahvaljujoč vrhunski stabilnosti pri sobni temperaturi je Si₃N₄ postal splošno sprejet embalažni material za keramične podlage v sodobni industriji polprevodnikov. Vendar pa obstaja opazna razlika med praktično toplotno prevodnostjo Si₃N4 in njegovo teoretično vrednostjo. Ta članek raziskuje glavne dejavnike, ki so odgovorni za takšno razhajanje.

1 Mrežasti kisik

Toplotno prevodnost v Si₃N4 v glavnem ureja fononski prenos. Nepopolnosti mreže, vključno s prazninami, napakami pri zlaganju in intergranularnimi nečistočami, povečajo sipanje fononov in poslabšajo toplotno prevodnost silicijevega nitrida.

Rešetni kisik služi kot odločilni dejavnik, ki spreminja toplotno prevodnost Si₃N4. Ko atomi kisika prodrejo skozi rešetko Si₃N4, nastanejo prosta mesta silicija, ki drastično skrajšajo povprečno prosto pot fononov in ustrezno zmanjšajo toplotno prevodnost. Za povečanje toplotne učinkovitosti Si₃N4 je treba zmanjšati vsebnost kisika v surovem prahu, da se optimizira aktivnost sintranja, medtem ko se fine začetne velikosti delcev ohranijo, da se prepreči dodatna kontaminacija s kisikom.

Običajni dodatki za sintranjeSi₃N₄so še en pomemben vir rešetkastega kisika. Ti dodatki tvorijo intergranularne sekundarne faze s toplotno prevodnostjo, ki je na splošno pod 1 W/(m·K) v tekoči fazi, kar poslabša skupno toplotno prevodnost Si₃N4. Obstoječe raziskave potrjujejo, da uporaba aditivov za sintranje oksidov redkih zemelj zmanjša vsebnost kisika v rešetki, ko se ionski polmer elementov redkih zemelj zmanjša. Nizkotemperaturno sintranje je prednostno za zmanjšanje proizvodnih stroškov Si₃N₄ keramičnih substratov, hkrati pa zagotavlja popolno zgostitev in želeno velikost zrn.

Poleg tega zmeren dodatek reducirajočega ogljikovega prahu zavira tvorbo sekundarne faze in izboljša čistost mreže; Če želite doseči večjo toplotno prevodnost, se je treba izogibati prekomerni količini prostega ogljika.

2 Kristalna struktura silicijevega nitrida

Silicijev nitrid je močno kovalentna spojina z molekulsko maso 140,68. Njegova dva prevladujoča polimorfa, α‑Si₃N₄ in β‑Si₃N4, oba pripadata heksagonalnemu kristalnemu sistemu. Glede na to, da se Si₃N₄ keramika običajno sintra nad 1800 °C, predstavlja β‑Si₃N4 prevladujočo kristalno fazo v komercialno dostopnih Si₃N4 komponentah.

(1) Gonilna sila za rast zrn β‑Si₃N₄

Ostanki netransformiranega α‑Si₃N₄, ki ostanejo med faznim prehodom α‑v‑β, povzročajo izrazit negativen vpliv na toplotno prevodnost. Zato je popolna fazna transformacija iz α‑Si₃N₄ v β‑Si₃N4 bistvena za olajšanje nukleacije in rasti zrn β‑Si₃N4 za izboljšano toplotno prevodnost.

(2) Morfologija gojenih zrn β‑Si₃N₄

Toplotna prevodnost se opazno poveča s povečanjem velikosti zrn β‑Si₃N₄, podaljšano trajanje žarjenja pa dodatno poveča sposobnost prenosa toplote. Ko pa zrna zrastejo čez kritično mero, dodatno zgrobljenje zrn prinese zanemarljivo izboljšanje toplotne učinkovitosti.

3 Relativna gostota

Relativna gostota ima pomemben vpliv na toplotno prevodnost Si₃N4. Večja poroznost povzroči očitno poslabšanje toplotne prevodnosti. Na splošno ima Si₃N₄ keramika z visoko toplotno prevodnostjo povečano nasipno gostoto in toplotno difuzivnost, oksidi redkih zemelj pa olajšajo izdelavo popolnoma gostega silicijevega nitrida. Sintranje v tekoči fazi je obvezno za izvedbo zgoščevanja keramike iz silicijevega nitrida, končna gostota Si₃N4 pa se spreminja glede na različne parametre sintranja in metode obdelave. Iz tega razloga je izbira ustreznih tehnik sintranja ključnega pomena za proizvodnjo Si₃N₄ keramike z visoko toplotno prevodnostjo.

Semicorex ponuja visoko kakovostsilicon nitridna ploščasza procese toplotne oksidacije. Če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktna telefonska številka +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com