Räninitriidkeraamika praktilise ja teoreetilise soojusjuhtivuse vahelise lõhe põhjused

Räninitriid (Si₃N4) on struktuurne keraamiline materjal, mille sisemine soojusjuhtivus on umbes 320 W/(m·K), millel on kõrge soojusjuhtivus ja silmapaistvad mehaanilised omadused. Tänu oma suurepärasele stabiilsusele ümbritseva õhu temperatuuril on Si₃N₄ muutunud laialdaselt kasutatavaks keraamilise substraadi pakkematerjaliks kaasaegses pooljuhtidetööstuses. Siiski on Si₃N4 praktilise soojusjuhtivuse ja selle teoreetilise väärtuse vahel märkimisväärne lahknevus. Käesolevas artiklis uuritakse peamisi tegureid, mis põhjustavad sellise lahknevuse.

1 Võre hapnik

Soojusjuhtivust Si₃N4-s reguleerib valdavalt fononiülekanne. Võre puudused, sealhulgas vabad kohad, virnastamisvead ja teradevahelised lisandid, intensiivistavad fonoonide hajumist ja halvendavad räninitriidi soojusjuhtivust.

Võre hapnik on otsustav tegur, mis muudab Si₃N4 soojusjuhtivust. Pärast seda, kui hapnikuaatomid tungivad läbi Si₃N4 võre, tekivad räni vabad kohad, lühendades drastiliselt fononi keskmist vaba teed ja vähendades vastavalt soojusjuhtivust. Si₃N4 termilise jõudluse suurendamiseks tuleks toorpulbrite hapnikusisaldust minimeerida, et optimeerida paagutamisaktiivsust, samas kui peened lähteosakeste suurused säilivad, et blokeerida täiendavat hapnikuga saastumist.

Tavapärased paagutamislisandidSi₃N4on veel üks suur võre hapnikuallikas. Need lisandid moodustavad vedelas faasis teradevahelised sekundaarsed faasid, mille soojusjuhtivus on üldiselt alla 1 W/(m·K), mis halvendab Si3N4 soojusjuhtivust. Olemasolevad uuringud kinnitavad, et haruldaste muldmetallide oksiidide paagutamise lisandite kasutamine vähendab võre hapnikusisaldust, kuna haruldaste muldmetallide elementide ioonraadius väheneb. Si₃N4 keraamiliste substraatide tootmiskulude vähendamiseks eelistatakse madalal temperatuuril paagutamist, tagades samas täieliku tiheduse ja soovitud tera suuruse.

Lisaks pärsib mõõdukas redutseeriva süsinikupulbri lisamine sekundaarse faasi moodustumist ja parandab võre puhtust; Suurenenud soojusjuhtivuse saavutamiseks tuleks vältida liigset vaba süsinikku.

2 Räninitriidi kristallstruktuur

Räninitriid on tugevalt kovalentne ühend molekulmassiga 140,68. Selle kaks levinud polümorfi, α-Si₃N4 ja β-Si₃N4, kuuluvad mõlemad kuusnurksesse kristallisüsteemi. Arvestades, et Si3N4 keraamikat paagutatakse tavaliselt temperatuuril üle 1800 °C, moodustab β-Si3N4 kaubanduslikult saadavates Si3N4 komponentides domineeriva kristallilise faasi.

(1) β-Si₃N₄ teravilja kasvu tõukejõud

Transformeerimata α-Si₃N4 jääk, mis jääb α-β-faasi ülemineku ajal, avaldab soojusjuhtivusele tugevat negatiivset mõju. Seega on täielik faasimuutus α-Si₃N4-st β-Si₃N4-ks hädavajalik, et hõlbustada β-Si₃N4 tuuma moodustumist ja terade kasvu, et parandada soojusjuhtivust.

(2) Kasvatatud β-Si₃N4 terade morfoloogia

Soojusjuhtivus suureneb märgatavalt β-Si₃N4 tera suuruse suurenemisega ja pikenenud lõõmutamise kestus suurendab veelgi soojusülekandevõimet. Kui aga terad kasvavad üle kriitilise mõõtme, parandab teravilja täiendav jämedus termilist jõudlust vähe.

3 Suhteline tihedus

Suhteline tihedus avaldab olulist mõju Si₃N4 soojusjuhtivusele. Suurem poorsus toob kaasa ilmse soojusjuhtivuse halvenemise. Üldiselt on kõrge soojusjuhtivusega Si₃N₄ keraamikal suurem puistetihedus ja termiline difusioon ning haruldaste muldmetallide oksiidid hõlbustavad täielikult tiheda räninitriidi valmistamist. Vedelfaasiline paagutamine on räninitriidkeraamika tihendamiseks kohustuslik ja Si₃N4 lõpptihedus varieerub erinevate paagutamisparameetrite ja töötlemismeetodite korral. Sel põhjusel on kõrge soojusjuhtivusega Si₃N4 keraamika tootmisel ülioluline sobivate paagutamistehnikate valimine.

Semicorex pakub kõrget kvaliteetisikoonnitriidplaatstermilise oksüdatsiooni protsesside jaoks. Kui teil on küsimusi või vajate lisateavet, võtke meiega kindlasti ühendust.

Kontakttelefon # +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com