دلایل فاصله بین رسانایی حرارتی عملی و نظری سرامیک نیترید سیلیکون

نیترید سیلیکون (Si3N4) یک ماده سرامیکی ساختاری با هدایت حرارتی ذاتی در حدود 320 W/(m·K) است که دارای هدایت حرارتی بالا و خواص مکانیکی فوق‌العاده است. به دلیل پایداری برتر در دمای محیط، Si3N4 به یک ماده بسته بندی بستر سرامیکی برای صنعت نیمه هادی مدرن تبدیل شده است. با این حال، اختلاف قابل توجهی بین هدایت حرارتی عملی Si3N4 و مقدار نظری آن وجود دارد. این مقاله به بررسی عوامل اصلی مسئول چنین واگرایی می پردازد.

1 شبکه اکسیژن

هدایت گرما در Si3N4 عمدتاً توسط انتقال فونون کنترل می شود. عیوب شبکه از جمله جای خالی، گسل های انباشته و ناخالصی های بین دانه ای، پراکندگی فونون را تشدید می کند و هدایت حرارتی نیترید سیلیکون را کاهش می دهد.

اکسیژن شبکه به عنوان یک عامل تعیین کننده در تغییر رسانایی حرارتی Si3N4 عمل می کند. پس از نفوذ اتم‌های اکسیژن به شبکه Si3N4، جای خالی سیلیکون تشکیل می‌شود که مسیر آزاد میانگین فونون را به شدت کوتاه می‌کند و بر این اساس هدایت حرارتی را کاهش می‌دهد. برای تقویت عملکرد حرارتی Si3N4، محتوای اکسیژن در پودرهای خام باید به حداقل برسد تا فعالیت تف جوشی بهینه شود، در حالی که اندازه ذرات اولیه ریز برای جلوگیری از آلودگی اکسیژن اضافی حفظ می شود.

افزودنی های پخت متعارف برایSi₃N4یکی دیگر از منابع اصلی اکسیژن شبکه هستند. این افزودنی‌ها فازهای ثانویه بین دانه‌ای را با رسانایی حرارتی معمولاً زیر 1 W/(m·K) در فاز مایع تشکیل می‌دهند که رسانایی حرارتی عمده Si3N4 را مختل می‌کند. تحقیقات موجود تأیید می‌کند که استفاده از افزودنی‌های تف جوشی اکسید خاکی کمیاب، با کاهش شعاع یونی عناصر خاکی کمیاب، محتوای اکسیژن شبکه را کاهش می‌دهد. تف جوشی در دمای پایین برای کاهش هزینه های تولید بسترهای سرامیکی Si3N4 در حالی که چگالی کامل و اندازه دانه مطلوب را تضمین می کند ترجیح داده می شود.

علاوه بر این، افزودن متوسط ​​پودر کربن احیاکننده، تشکیل فاز ثانویه را سرکوب می کند و خلوص شبکه را بهبود می بخشد. برای دستیابی به رسانایی حرارتی بالا باید از کربن آزاد بیش از حد اجتناب شود.

2 ساختار کریستالی نیترید سیلیکون

نیترید سیلیکون یک ترکیب قوی کووالانسی با وزن مولکولی 140.68 است. دو پلی مورف رایج آن، α-Si3N4 و β-Si3N4، هر دو متعلق به سیستم کریستالی شش ضلعی هستند. با توجه به اینکه سرامیک های Si3N4 معمولاً در دمای بالای 1800 درجه سانتیگراد زینتر می شوند، β-Si3N4 فاز کریستالی غالب در اجزای Si3N4 تجاری موجود را تشکیل می دهد.

(1) نیروی محرکه برای رشد دانه β-Si3N4

باقیمانده α-Si3N4 تبدیل نشده باقی مانده در طول انتقال فاز α-به-β تأثیر منفی واضحی بر هدایت حرارتی تحمیل می کند. از این رو، تبدیل فاز کامل از α-Si3N4 به β-Si3N4 برای تسهیل هسته زایی و رشد دانه β-Si3N4 برای بهبود هدایت حرارتی ضروری است.

(2) مورفولوژی دانه های رشد یافته β-Si3N4

رسانایی حرارتی با افزایش اندازه دانه β-Si3N4 به طور قابل توجهی افزایش می یابد و مدت زمان بازپخت طولانی مدت قابلیت انتقال حرارت را بیشتر می کند. با این حال، هنگامی که دانه ها فراتر از یک بعد بحرانی رشد می کنند، درشت شدن دانه اضافی باعث بهبود عملکرد حرارتی ناچیز می شود.

3 چگالی نسبی

چگالی نسبی تأثیر برجسته ای بر هدایت حرارتی Si3N4 دارد. تخلخل بالاتر منجر به تخریب آشکار هدایت حرارتی می شود. به طور کلی، سرامیک های Si3N4 با رسانایی حرارتی بالا دارای چگالی ظاهری و نفوذ حرارتی بالایی هستند و اکسیدهای خاکی کمیاب ساخت نیترید سیلیکون کاملاً متراکم را تسهیل می کنند. تف جوشی فاز مایع برای تحقق دانسیته سرامیک نیترید سیلیکون اجباری است و چگالی نهایی Si3N4 تحت پارامترهای پخت و روش‌های مختلف پردازش متفاوت است. به همین دلیل، انتخاب تکنیک های پخت مناسب برای تولید سرامیک های Si3N4 با رسانایی حرارتی بالا حیاتی است.

Semicorex کیفیت بالایی را ارائه می دهدsصفحه نیترید ایلیکونsبرای فرآیندهای اکسیداسیون حرارتی اگر سؤالی دارید یا نیاز به جزئیات بیشتری دارید، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

تلفن تماس 86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com