Разлози за јаз између практичне и теоријске топлотне проводљивости силицијум нитридне керамике

Силицијум нитрид (Си₃Н₄) је структурални керамички материјал са интринзичном топлотном проводљивошћу око 320 В/(м·К), са високом топлотном проводљивошћу и изванредним механичким својствима. Захваљујући својој супериорној стабилности на температури околине, Си₃Н₄ је постао широко прихваћен материјал за паковање керамичких супстрата за савремену индустрију полупроводника. Међутим, постоји приметна разлика између практичне топлотне проводљивости Си₃Н₄ и његове теоријске вредности. Овај рад истражује примарне факторе одговорне за такво одступање.

1 Решеткасти кисеоник

Провођење топлоте у Си₃Н₄ је претежно регулисано преносом фонона. Несавршености решетке укључујући празна места, грешке у слагању и интергрануларне нечистоће интензивирају расејање фонона и деградирају топлотну проводљивост силицијум нитрида.

Решеткасти кисеоник служи као одлучујући фактор који мења топлотну проводљивост Си₃Н₄. Након што атоми кисеоника продру у решетку Си₃Н₄, формирају се силицијумске празнине, драстично скраћујући средњи слободни пут фонона и сходно томе смањујући топлотну проводљивост. Да би се побољшале термичке перформансе Си₃Н₄, садржај кисеоника у сировим праховима треба да буде минимизиран да би се оптимизовала активност синтеровања, док су фине почетне величине честица задржане да би се блокирала додатна контаминација кисеоником.

Конвенционални адитиви за синтеровање заСи₃Н₄су још један главни извор решеткастог кисеоника. Ови адитиви формирају интергрануларне секундарне фазе са топлотном проводљивошћу углавном испод 1 В/(м·К) унутар течне фазе, што нарушава укупну топлотну проводљивост Си₃Н₄. Постојећа истраживања потврђују да усвајање адитива за синтеровање оксида ретких земаља смањује садржај кисеоника у решетки како се смањује јонски радијус елемената ретких земаља. Нискотемпературно синтеровање је пожељно да би се смањили трошкови производње Си₃Н₄ керамичких супстрата, док се истовремено обезбеђује пуна густоћа и пожељна величина зрна.

Штавише, умерено додавање редукционог угљеника у праху потискује формирање секундарне фазе и побољшава чистоћу решетке; треба избегавати вишак слободног угљеника да би се постигла повишена топлотна проводљивост.

2 Кристална структура силицијум нитрида

Силицијум нитрид је јако ковалентно једињење са молекулском тежином од 140,68. Његова два преовлађујућа полиморфа, α‑Си₃Н₄ и β‑Си₃Н₄, оба припадају хексагоналном кристалном систему. С обзиром да се Си₃Н₄ керамика обично синтерује изнад 1800 °Ц, β‑Си₃Н₄ чини доминантну кристалну фазу у комерцијално доступним Си₃Н₄ компонентама.

(1) Покретачка сила за раст зрна β‑Си₃Н₄

Преостали нетрансформисани α‑Си₃Н₄ који остаје током фазног прелаза α‑у‑β намеће изражен негативан утицај на топлотну проводљивост. Дакле, потпуна фазна трансформација из α‑Си₃Н₄ у β‑Си₃Н₄ је неопходна да би се олакшала нуклеација и раст зрна β‑Си₃Н₄ за побољшану топлотну проводљивост.

(2) Морфологија узгојених зрна β‑Си₃Н₄

Топлотна проводљивост значајно расте са повећањем величине зрна β‑Си₃Н₄, а продужено трајање жарења додатно побољшава способност преноса топлоте. Међутим, када зрна порасту изнад критичне димензије, додатно грубо зрна доноси занемарљиво побољшање термичких перформанси.

3 Релативна густина

Релативна густина има значајан утицај на топлотну проводљивост Си₃Н₄. Већа порозност доводи до очигледне деградације топлотне проводљивости. Уопштено говорећи, Си₃Н₄ керамика високе топлотне проводљивости има повећану запреминску густину и топлотну дифузију, а оксиди ретких земаља олакшавају производњу потпуно густог силицијум нитрида. Синтеровање у течној фази је обавезно да би се остварило згушњавање керамике од силицијум нитрида и коначна густина Си₃Н₄ варира под различитим параметрима синтеровања и методама обраде. Из тог разлога, одабир одговарајућих техника синтеровања је критичан за производњу Си₃Н₄ керамике високе топлотне проводљивости.

Семицорек нуди висок квалитетsплоча иликон нитридаsза процесе термичке оксидације. Ако имате било каквих питања или су вам потребни додатни детаљи, не устручавајте се да нас контактирате.

Контакт телефон # +86-13567891907

Емаил: салес@семицорек.цом