Sebab Jurang Antara Kekonduksian Terma Praktikal dan Teoritis Seramik Nitrida Silikon

Silikon nitrida (Si₃N₄) ialah bahan seramik berstruktur dengan kekonduksian terma intrinsik sekitar 320 W/(m·K), menampilkan kekonduksian terma yang tinggi dan sifat mekanikal yang luar biasa. Terima kasih kepada kestabilan unggulnya pada suhu ambien, Si₃N₄ telah menjadi bahan pembungkus substrat seramik yang diterima pakai secara meluas untuk industri semikonduktor moden. Walau bagaimanapun, terdapat percanggahan ketara yang wujud antara kekonduksian terma praktikal Si₃N₄ dan nilai teorinya. Makalah ini meneroka faktor utama yang bertanggungjawab untuk perbezaan tersebut.

1 Kekisi Oksigen

Pengaliran haba dalam Si₃N₄ kebanyakannya dikawal oleh penghantaran fonon. Ketidaksempurnaan kekisi termasuk kekosongan, kerosakan susun dan kekotoran antara butiran memperhebat penyebaran fonon dan merendahkan kekonduksian terma silikon nitrida.

Oksigen kekisi berfungsi sebagai faktor penentu yang mengubah kekonduksian terma Si₃N₄. Selepas atom oksigen menembusi kekisi Si₃N₄, kekosongan silikon terbentuk, memendekkan laluan bebas min fonon secara drastik dan mengurangkan kekonduksian terma dengan sewajarnya. Untuk meningkatkan prestasi haba Si₃N₄, kandungan oksigen dalam serbuk mentah harus diminimumkan untuk mengoptimumkan aktiviti pensinteran, manakala saiz zarah permulaan yang halus dikekalkan untuk menyekat pencemaran oksigen tambahan.

Bahan tambahan pensinteran konvensional untukSi₃N₄adalah satu lagi sumber utama oksigen kekisi. Bahan tambahan ini membentuk fasa sekunder antara butiran dengan kekonduksian terma secara amnya di bawah 1 W/(m·K) dalam fasa cecair, yang menjejaskan kekonduksian terma pukal Si₃N₄. Penyelidikan sedia ada mengesahkan bahawa penggunaan bahan tambahan pensinteran oksida nadir bumi mengurangkan kandungan oksigen kekisi apabila jejari ionik unsur nadir bumi berkurangan. Pensinteran suhu rendah lebih disukai untuk mengurangkan kos pengeluaran substrat seramik Si₃N₄ sambil memastikan ketumpatan penuh dan saiz butiran yang diingini.

Tambahan pula, penambahan serbuk karbon yang sederhana menghalang pembentukan fasa sekunder dan meningkatkan ketulenan kekisi; karbon bebas yang berlebihan harus dielakkan untuk mencapai kekonduksian terma yang tinggi.

2 Struktur Kristal Silikon Nitrida

Silikon nitrida ialah sebatian kovalen kuat dengan berat molekul 140.68. Dua polimorf lazimnya, α‑Si₃N₄ dan β‑Si₃N₄, kedua-duanya tergolong dalam sistem kristal heksagon. Memandangkan seramik Si₃N₄ lazimnya disinter di atas 1800 °C, β‑Si₃N₄ membentuk fasa kristal dominan dalam komponen Si₃N₄ yang tersedia secara komersial.

(1) Daya Penggerak untuk Pertumbuhan Bijian β‑Si₃N₄

Baki α‑Si₃N₄ yang tidak berubah semasa peralihan fasa α‑ke‑β mengenakan kesan negatif yang ketara terhadap kekonduksian terma. Oleh itu, transformasi fasa lengkap daripada α‑Si₃N₄ kepada β‑Si₃N₄ adalah penting untuk memudahkan nukleasi dan pertumbuhan butiran β‑Si₃N₄ untuk kekonduksian haba yang lebih baik.

(2) Morfologi Bijirin β‑Si₃N₄ Tumbuh

Kekonduksian terma meningkat dengan ketara dengan peningkatan saiz butiran β‑Si₃N₄, dan tempoh penyepuhlindapan yang dilanjutkan meningkatkan lagi keupayaan pemindahan haba. Walau bagaimanapun, apabila bijirin tumbuh melepasi dimensi kritikal, kekasaran bijirin tambahan membawa peningkatan yang boleh diabaikan kepada prestasi terma.

3 Ketumpatan Relatif

Ketumpatan relatif memberikan pengaruh yang ketara pada kekonduksian terma Si₃N₄. Keliangan yang lebih tinggi membawa kepada degradasi kekonduksian terma yang jelas. Secara amnya, seramik Si₃N₄ kekonduksian terma tinggi mempunyai ketumpatan pukal tinggi dan keresapan haba, dan oksida nadir bumi memudahkan fabrikasi silikon nitrida tumpat sepenuhnya. Pensinteran fasa cecair adalah wajib untuk merealisasikan ketumpatan seramik silikon nitrida dan ketumpatan akhir Si₃N₄berbeza di bawah parameter pensinteran dan kaedah pemprosesan yang berbeza. Atas sebab ini, pemilihan teknik pensinteran yang sesuai adalah penting untuk menghasilkan seramik Si₃N₄ kekonduksian terma tinggi.

Semicorex menawarkan kualiti tinggisplat nitrida iliconsuntuk proses pengoksidaan terma. Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Hubungi # telefon +86-13567891907

E-mel: sales@semicorex.com