A szilícium-nitrid kerámiák gyakorlati és elméleti hővezető képessége közötti különbség okai

A szilícium-nitrid (Si₃N4) egy szerkezeti kerámia anyag, amelynek belső hővezető képessége körülbelül 320 W/(m·K), magas hővezető képességgel és kiemelkedő mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Környezeti hőmérsékleten mutatott kiváló stabilitásának köszönhetően a Si₃N4 a modern félvezetőipar széles körben elfogadott kerámia szubsztrát csomagolóanyagává vált. Mindazonáltal jelentős eltérés van a Si3N4 gyakorlati hővezető képessége és elméleti értéke között. Ez a cikk az ilyen eltérésekért felelős elsődleges tényezőket vizsgálja.

1 Rács Oxigén

A Si3N4 hővezetését túlnyomórészt a fononátvitel szabályozza. A rács tökéletlenségei, beleértve az üresedéseket, a halmozási hibákat és a szemcsék közötti szennyeződéseket, fokozzák a fononszórást, és rontják a szilícium-nitrid hővezető képességét.

A rács oxigénje döntő tényező a Si3N4 hővezető képesség megváltoztatásában. Miután az oxigénatomok behatolnak a Si3N4-rácsba, szilícium üresedések keletkeznek, drasztikusan lerövidítve a fononok átlagos szabad útját, és ennek megfelelően csökkentve a hővezető képességet. A Si3N4 hőteljesítményének növelése érdekében a nyers porok oxigéntartalmát minimálisra kell csökkenteni a szinterezési aktivitás optimalizálása érdekében, miközben a finom kiindulási részecskeméreteket meg kell őrizni, hogy megakadályozzák az extra oxigénszennyezést.

Hagyományos szinterező adalékokSi3N4a rács oxigén másik fő forrása. Ezek az adalékok szemcsék közötti másodlagos fázisokat képeznek, amelyek hővezető képessége általában 1 W/(m·K) alatt van a folyadékfázisban, ami rontja a Si3N4 ömlesztett hővezető képességét. A meglévő kutatások megerősítik, hogy a ritkaföldfém-oxid szinterező adalékok alkalmazása csökkenti a rács oxigéntartalmát, mivel a ritkaföldfém-elemek ion sugara csökken. Az alacsony hőmérsékletű szinterezés előnyös a Si₃N4 kerámia hordozók gyártási költségeinek csökkentése érdekében, miközben biztosítja a teljes tömörítést és a kívánt szemcseméretet.

Továbbá redukáló szénpor mérsékelt hozzáadása elnyomja a másodlagos fázis képződését és javítja a rács tisztaságát; A magas hővezetőképesség elérése érdekében kerülni kell a túlzott szabad szén mennyiségét.

2 A szilícium-nitrid kristályszerkezete

A szilícium-nitrid egy erősen kovalens vegyület, amelynek molekulatömege 140,68. Két elterjedt polimorfja, az α-Si₃N4 és a β-Si₃N4, mindkettő a hatszögletű kristályrendszerhez tartozik. Tekintettel arra, hogy a Si3N4 kerámiákat általában 1800 °C felett szinterelik, a β-Si3N4 képezi a domináns kristályos fázist a kereskedelemben kapható Si3N4 komponensekben.

(1) A β-Si₃N₄ szemcsenövekedés hajtóereje

Az α-β-fázisváltás során visszamaradó, nem transzformált α-Si₃N4 jelentős negatív hatással van a hővezető képességre. Ezért az α-Si₃N4-ről β-Si₃N4-re való teljes fázisátalakítás elengedhetetlen a β-Si₃N4 magképződésének és szemcsenövekedésének elősegítéséhez a jobb hővezetőképesség érdekében.

(2) A termesztett β-Si₃N4 szemek morfológiája

A hővezető képesség jelentősen megnő a β-Si₃N4 szemcseméret növekedésével, és a hosszabb hőkezelési időtartam tovább növeli a hőátadási képességet. Ha azonban a szemek egy kritikus méreten túl nőnek, a szemek további durvítása elhanyagolható mértékben javítja a termikus teljesítményt.

3 Relatív sűrűség

A relatív sűrűség jelentős hatással van a Si3N4 hővezető képességre. A nagyobb porozitás a hővezető képesség nyilvánvaló romlásához vezet. Általában a nagy hővezető képességű Si₃N4 kerámiák nagyobb térfogatsűrűséggel és hődiffúzióval rendelkeznek, a ritkaföldfém-oxidok pedig megkönnyítik a teljesen sűrű szilícium-nitrid előállítását. A folyékony fázisú szinterezés kötelező a szilícium-nitrid kerámiák sűrűsödésének megvalósításához, és a Si3N4 végső sűrűsége a különböző szinterezési paraméterek és feldolgozási módszerek függvényében változik. Emiatt a megfelelő szinterezési technikák kiválasztása kritikus fontosságú a nagy hővezető képességű Si3N4 kerámiák gyártásához.

A Semicorex kiváló minőséget kínálsIlikon nitrid lemezstermikus oxidációs folyamatokhoz. Ha kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, kérjük, ne habozzon kapcsolatba lépni velünk.

Telefonszám: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com