Причини розриву між практичною та теоретичною теплопровідністю кераміки з нітриду кремнію

Нітрид кремнію (Si₃N₄) — це конструкційний керамічний матеріал із власною теплопровідністю близько 320 Вт/(м·К), який має високу теплопровідність і чудові механічні властивості. Завдяки чудовій стабільності при температурі навколишнього середовища Si₃N₄ став широко поширеним матеріалом для упаковки керамічної підкладки в сучасній напівпровідниковій промисловості. Однак існує помітна розбіжність між практичною теплопровідністю Si₃N4 та її теоретичною величиною. У цьому документі досліджуються основні фактори, відповідальні за таку розбіжність.

1 Решітка Оксигену

Теплопровідність у Si₃N₄ переважно регулюється фононною передачею. Недосконалості решітки, включаючи вакансії, дефекти упаковки та міжкристалічні домішки, посилюють розсіювання фононів і погіршують теплопровідність нітриду кремнію.

Гратковий кисень є вирішальним фактором, що змінює теплопровідність Si₃N4. Після того, як атоми кисню проникають у решітку Si₃N4, утворюються вакансії кремнію, що різко скорочує довжину вільного пробігу фононів і відповідно зменшує теплопровідність. Щоб підвищити термічну ефективність Si₃N4, вміст кисню в сирих порошках слід мінімізувати для оптимізації активності спікання, у той час як дрібні початкові розміри частинок зберігаються, щоб блокувати додаткове забруднення киснем.

Звичайні спікаючі добавки дляSi₃N₄є ще одним основним джерелом ґратчастого кисню. Ці добавки утворюють міжзернові вторинні фази з теплопровідністю, як правило, нижче 1 Вт/(м·К) у рідкій фазі, що погіршує об’ємну теплопровідність Si₃N4. Існуючі дослідження підтверджують, що використання добавок для спікання оксидів рідкоземельних елементів зменшує вміст кисню в решітці, оскільки іонний радіус рідкоземельних елементів зменшується. Низькотемпературне спікання є кращим для зниження витрат на виробництво Si₃N₄ керамічних підкладок, одночасно забезпечуючи повне ущільнення та бажаний розмір зерна.

Крім того, помірне додавання відновного вуглецевого порошку пригнічує утворення вторинної фази та покращує чистоту решітки; слід уникати надлишку вільного вуглецю для досягнення підвищеної теплопровідності.

2. Кристалічна структура нітриду кремнію

Нітрид кремнію є сильно ковалентною сполукою з молекулярною масою 140,68. Дві його поширені поліморфи, α‑Si₃N₄ і β‑Si₃N4, обидва належать до гексагональної кристалічної системи. Враховуючи, що Si₃N₄ кераміку зазвичай спікають при температурі вище 1800 °C, β‑Si₃N4 становить домінуючу кристалічну фазу в комерційно доступних компонентах Si₃N4.

(1) Рушійна сила для росту зерна β‑Si₃N₄

Залишковий нетрансформований α‑Si₃N₄, що залишається під час фазового переходу α‑до‑β, надає помітний негативний вплив на теплопровідність. Таким чином, повне фазове перетворення з α‑Si₃N4 на β‑Si₃N₄ має важливе значення для полегшення зародження та росту зерен β‑Si₃N₄ для покращення теплопровідності.

(2) Морфологія вирощених зерен β‑Si₃N₄

Теплопровідність помітно зростає зі збільшенням розміру зерна β‑Si₃N₄, а подовжена тривалість відпалу додатково покращує здатність теплопередачі. Однак, як тільки зерна виростуть за критичний розмір, додаткове укрупнення зерна принесе незначне покращення теплових характеристик.

3 Відносна щільність

Відносна щільність має помітний вплив на теплопровідність Si₃N4. Вища пористість призводить до явного погіршення теплопровідності. Загалом, Si₃N₄ кераміка з високою теплопровідністю має підвищену об'ємну щільність і температуропровідність, а оксиди рідкоземельних елементів полегшують виготовлення повністю щільного нітриду кремнію. Рідкофазне спікання є обов’язковим для реалізації ущільнення кераміки з нітриду кремнію, а кінцева щільність Si₃N4 змінюється залежно від різних параметрів спікання та методів обробки. З цієї причини вибір відповідних методів спікання має вирішальне значення для виробництва Si₃N₄ кераміки з високою теплопровідністю.

Semicorex пропонує високу якістьsпластина з нітриду іліконуsдля процесів термічного окислення. Якщо у вас є запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com