Dlaczego w przemyśle półprzewodników rośnie zapotrzebowanie na ceramikę SiC o wysokiej przewodności cieplnej?

Obecnie,węglik krzemu (SiC)jest bardzo aktywnym obszarem badań nad materiałami ceramicznymi przewodzącymi ciepło, zarówno w kraju, jak i za granicą. Dzięki teoretycznej przewodności cieplnej, która dla niektórych typów kryształów może sięgać nawet 270 W/mK,SiCnależy do czołowych producentów materiałów nieprzewodzących. Jego zastosowania obejmują podłoża urządzeń półprzewodnikowych, materiały ceramiczne o wysokiej przewodności cieplnej, grzejniki i płyty grzejne w przetwarzaniu półprzewodników, materiały kapsułkowe do paliwa jądrowego oraz hermetyczne uszczelnienia w pompach sprężarek.

Jak jestWęglik krzemuStosowane w przemyśle półprzewodników?

Płyty i osprzęt szlifierski są niezbędnym sprzętem procesowym przy produkcji płytek krzemowych w przemyśle półprzewodników. Jeśli płyty szlifierskie są wykonane z żeliwa lub stali węglowej, mają zazwyczaj krótką żywotność i wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej. Podczas obróbki płytek krzemowych, zwłaszcza podczas szlifowania lub polerowania z dużą prędkością, zużycie i odkształcenie termiczne tych płytek szlifierskich utrudniają utrzymanie płaskości i równoległości płytek krzemowych. Jednakże płytki szlifierskie wykonane z ceramiki z węglika krzemu charakteryzują się wysoką twardością i niskim zużyciem, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest zbliżony do współczynnika rozszerzalności płytek krzemowych, umożliwiając szlifowanie i polerowanie z dużą prędkością.

Ponadto podczas produkcji płytek krzemowych wymagana jest obróbka cieplna w wysokiej temperaturze, często przy użyciu uchwytów z węglika krzemu do transportu. Oprawy te są odporne na ciepło i uszkodzenia i mogą być pokryte węglem diamentopodobnym (DLC) w celu zwiększenia wydajności, ograniczenia uszkodzeń płytek i zapobiegania dyfuzji zanieczyszczeń. Dodatkowo, jako przedstawiciel materiałów półprzewodnikowych o szerokim paśmie wzbronionym trzeciej generacji, monokryształy węglika krzemu posiadają takie właściwości, jak szerokie pasmo wzbronione (około trzykrotnie większe od krzemu), wysoką przewodność cieplną (około 3,3 razy większą od krzemu lub 10 razy większą GaAs), dużą prędkość nasycenia elektronami (około 2,5 razy większą niż w przypadku krzemu) i silne pole elektryczne przebicia (około 10 razy większe w przypadku krzemu lub pięć razy większe w przypadku GaA). Urządzenia z węglika krzemu kompensują niedociągnięcia tradycyjnych urządzeń z materiałów półprzewodnikowych w praktycznych zastosowaniach i stopniowo stają się głównym nurtem półprzewodników mocy.

Dlaczego istnieje zapotrzebowanie na wysoką przewodność cieplnąCeramika SiCRośnie?

Wraz z ciągłym postępem technologicznym zapotrzebowanie naceramika z węglika krzemuw przemyśle półprzewodników gwałtownie rośnie. Wysoka przewodność cieplna jest krytycznym wskaźnikiem ich zastosowania w elementach sprzętu do produkcji półprzewodników, co sprawia, że ​​badania nad wysoką przewodnością cieplnąCeramika SiCkluczowy. Zmniejszanie zawartości tlenu w siatce, zwiększanie gęstości i racjonalne kontrolowanie rozkładu drugiej fazy w siatce to podstawowe metody zwiększania przewodności cieplnejceramika z węglika krzemu.

Obecnie trwają badania nad wysoką przewodnością cieplnąCeramika SiCw Chinach jest ograniczona i znacznie odbiega od światowych standardów. Przyszłe kierunki badań obejmują:

Wzmocnienie badań nad procesem przygotowaniaCeramika SiCproszki, ponieważ przygotowanie proszku SiC o wysokiej czystości i niskiej zawartości tlenu ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wysokiej przewodności cieplnejCeramika SiC.

Udoskonalenie doboru i badań teoretycznych środków spiekalniczych.

Opracowanie wysokiej klasy sprzętu do spiekania, ponieważ regulacja procesu spiekania w celu uzyskania rozsądnej mikrostruktury jest niezbędna do uzyskania wysokiej przewodności cieplnejCeramika SiC.

Jakie środki mogą poprawić przewodność cieplnąCeramika SiC?

Kluczem do poprawy przewodności cieplnejCeramika SiCpolega na zmniejszeniu częstotliwości rozpraszania fononów i zwiększeniu średniej swobodnej ścieżki fononów. Można to skutecznie osiągnąć poprzez zmniejszenie porowatości i gęstości granic ziarenCeramika SiC, zwiększając czystość granic ziaren SiC, minimalizując zanieczyszczenia lub defekty w sieci SiC oraz zwiększając ilość nośników transportu ciepła w SiC. Obecnie optymalizacja rodzaju i zawartości środków pomocniczych do spiekania oraz obróbka cieplna w wysokiej temperaturze to podstawowe środki mające na celu poprawę przewodności cieplnej staliCeramika SiC.

Optymalizacja rodzaju i zawartości środków pomocniczych do spiekania

Podczas przygotowywania materiałów o wysokiej przewodności cieplnej często dodaje się różne środki ułatwiające spiekanieCeramika SiC. Rodzaj i zawartość tych środków spiekających znacząco wpływa na przewodność cieplnąCeramika SiC. Na przykład pierwiastki takie jak Al lub O w środkach spiekających w systemie Al2O3 mogą łatwo rozpuścić się w siatce SiC, tworząc puste przestrzenie i defekty, zwiększając w ten sposób częstotliwość rozpraszania fononów. Ponadto, jeśli zawartość środka spiekającego jest zbyt niska, materiał może nie ulegać zagęszczeniu podczas spiekania, natomiast wysoka zawartość środka spiekającego może prowadzić do zwiększenia zanieczyszczeń i defektów. Nadmierne dodatki do spiekania w fazie ciekłej mogą również hamować wzrost ziaren SiC, zmniejszając średnią swobodną drogę fononu. Dlatego, aby osiągnąć wysoką przewodność cieplnąCeramika SiCnależy minimalizować zawartość środków spiekających, zapewniając jednocześnie zagęszczenie, i wybierać takie, które nie są łatwo rozpuszczalne w siatce SiC.

Obecnie tłoczony na gorącoCeramika SiCz zastosowaniem BeO jako środka spiekającego wykazują najwyższą przewodność cieplną w temperaturze pokojowej (270 W·m-1·K-1). Jednakże BeO jest wysoce toksyczny i rakotwórczy, co czyni go nieodpowiednim do powszechnego stosowania w laboratoriach i przemyśle. System Y2O3-Al2O3 ma punkt eutektyczny wynoszący 1760°C i jest powszechnym środkiem wspomagającym spiekanie w fazie ciekłejCeramika SiC, ale ponieważ Al3+ łatwo rozpuszcza się w sieci SiC,Ceramika SiCz tym systemem jako środkiem spiekającym mają przewodność cieplną w temperaturze pokojowej poniżej 200 W·m-1·K-1.

Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak Y, Sm, Sc, Gd i La, nie są łatwo rozpuszczalne w sieci SiC i mają wysokie powinowactwo do tlenu, skutecznie zmniejszając zawartość tlenu w sieci SiC. Dlatego też układ Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) jest powszechnie stosowany jako środek wspomagający spiekanie przy wytwarzaniu materiałów o wysokiej przewodności cieplnej (>200 W·m-1·K-1)Ceramika SiC. Przykładowo w układzie Y2O3-Sc2O3 odchylenie jonowe pomiędzy Y3+ i Si4+ jest znaczne, co zapobiega tworzeniu się roztworów stałych. Rozpuszczalność Sc w czystym SiC jest stosunkowo niska w temperaturach 1800~2600°C, w przybliżeniu (2~3)×10^17 atomów·cm^-3.

Właściwości termiczne ceramiki SiC z różnymi środkami spiekalnymi

Obróbka cieplna w wysokiej temperaturze

Obróbka cieplna w wysokiej temperaturzeCeramika SiCpomaga eliminować defekty sieci, dyslokacje i naprężenia szczątkowe, sprzyjając transformacji niektórych struktur amorficznych w struktury krystaliczne i zmniejszając rozpraszanie fononów. Dodatkowo obróbka cieplna w wysokiej temperaturze skutecznie sprzyja wzrostowi ziaren SiC, ostatecznie poprawiając właściwości termiczne materiału. Na przykład, po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze w temperaturze 1950°C, dyfuzyjność cieplnaCeramika SiCwzrosła z 83,03 mm2·s-1 do 89,50 mm2·s-1, a przewodność cieplna w temperaturze pokojowej wzrosła z 180,94 W·m-1·K-1 do 192,17 W·m-1·K-1. Obróbka cieplna w wysokiej temperaturze znacznie poprawia zdolność odtleniania środków spiekających na powierzchni i siatce SiC oraz uszczelnia połączenia ziaren SiC. W związku z tym przewodność cieplna w temperaturze pokojowejCeramika SiCulega znacznej poprawie po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze.**

W Semicorex specjalizujemy się wCeramika SiCi inne materiały ceramiczne stosowane w produkcji półprzewodników, jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Telefon kontaktowy: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com