Důvody propasti mezi praktickou a teoretickou tepelnou vodivostí keramiky z nitridu křemíku

Nitrid křemíku (Si₃N₄) je strukturní keramický materiál s vlastní tepelnou vodivostí kolem 320 W/(m·K), vyznačující se vysokou tepelnou vodivostí a vynikajícími mechanickými vlastnostmi. Díky své vynikající stabilitě při okolní teplotě se Si₃N4 stal široce používaným obalovým materiálem pro keramický substrát pro moderní polovodičový průmysl. Existuje však významný rozpor mezi praktickou tepelnou vodivostí Si3N4 a jeho teoretickou hodnotou. Tento článek zkoumá primární faktory odpovědné za takovou divergenci.

1 Mřížkový kyslík

Vedení tepla v Si3N4 je řízeno převážně fononovým přenosem. Nedokonalosti mřížky, včetně volných míst, chyb ve vrstvení a mezikrystalových nečistot zesilují rozptyl fononů a zhoršují tepelnou vodivost nitridu křemíku.

Mřížkový kyslík slouží jako rozhodující faktor měnící Si3N4 tepelnou vodivost. Poté, co atomy kyslíku proniknou mřížkou Si3N4, vytvoří se křemíkové vakancie, které drasticky zkrátí střední volnou dráhu fononů a odpovídajícím způsobem sníží tepelnou vodivost. Aby se zvýšila tepelná výkonnost Si3N4, měl by být obsah kyslíku v surových prášcích minimalizován, aby se optimalizovala slinovací aktivita, zatímco jemné počáteční velikosti částic jsou zachovány, aby se zamezilo nadměrné kontaminaci kyslíkem.

Konvenční slinovací přísady proSi3N4jsou dalším hlavním zdrojem mřížkového kyslíku. Tyto přísady tvoří mezikrystalové sekundární fáze s tepelnou vodivostí obecně pod 1 W/(m·K) v kapalné fázi, což zhoršuje objemovou tepelnou vodivost Si3N4. Stávající výzkum potvrzuje, že použití slinovacích aditiv na bázi oxidů vzácných zemin snižuje obsah mřížkového kyslíku, protože iontový poloměr prvků vzácných zemin se snižuje. Nízkoteplotní slinování je preferováno pro snížení výrobních nákladů Si3N4 keramických substrátů při současném zajištění plného zhuštění a požadované velikosti zrna.

Kromě toho mírné přidávání redukčního uhlíkového prášku potlačuje tvorbu sekundární fáze a zlepšuje čistotu mřížky; pro dosažení zvýšené tepelné vodivosti je třeba se vyhnout nadměrnému volnému uhlíku.

2 Krystalová struktura nitridu křemíku

Nitrid křemíku je silně kovalentní sloučenina s molekulovou hmotností 140,68. Jeho dva převládající polymorfy, α-Si3N4 a β-Si3N4, oba patří do hexagonálního krystalového systému. Vzhledem k tomu, že Si3N4 keramika se běžně slinuje nad 1800 °C, tvoří β-Si3N4 dominantní krystalickou fázi v komerčně dostupných Si3N4 komponentech.

(1) Hnací síla pro růst zrn β-Si3N4

Zbytkový netransformovaný α-Si3N4 zbývající během fázového přechodu α-k-β má výrazný negativní dopad na tepelnou vodivost. Úplná fázová transformace z α-Si3N4 na β-Si3N4 je tedy nezbytná pro usnadnění nukleace a růstu zrn β-Si3N4 pro zlepšení tepelné vodivosti.

(2) Morfologie vypěstovaných zrn β-Si3N4

Tepelná vodivost výrazně stoupá s rostoucí velikostí zrna β-Si3N4 a prodloužená doba žíhání dále zvyšuje schopnost přenosu tepla. Jakmile však zrna překročí kritický rozměr, další zhrubnutí zrna přinese zanedbatelné zlepšení tepelného výkonu.

3 Relativní hustota

Relativní hustota má výrazný vliv na tepelnou vodivost Si3N4. Vyšší pórovitost vede k evidentní degradaci tepelné vodivosti. Obecně platí, že keramika Si33N4 s vysokou tepelnou vodivostí má zvýšenou objemovou hmotnost a tepelnou difuzivitu a oxidy vzácných zemin usnadňují výrobu plně hustého nitridu křemíku. Slinování v kapalné fázi je nezbytné pro realizaci zhuštění keramiky z nitridu křemíku a konečná hustota Si3N4 se liší podle různých parametrů slinování a metod zpracování. Z tohoto důvodu je výběr vhodných slinovacích technik rozhodující pro výrobu keramiky Si33N4 s vysokou tepelnou vodivostí.

Semicorex nabízí vysokou kvalitusdeska z nitridu křemíkuspro procesy tepelné oxidace. Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com