Przyczyny rozbieżności między praktyczną i teoretyczną przewodnością cieplną ceramiki z azotku krzemu

Azotek krzemu (Si₃N₄) jest strukturalnym materiałem ceramicznym o właściwym przewodnictwie cieplnym około 320 W/(m·K), charakteryzującym się wysoką przewodnością cieplną i wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi. Dzięki swojej doskonałej stabilności w temperaturze otoczenia Si₃N₄ stał się powszechnie stosowanym materiałem opakowaniowym na podłoża ceramiczne w nowoczesnym przemyśle półprzewodników. Jednakże istnieje zauważalna rozbieżność pomiędzy praktyczną przewodnością cieplną Si₃N₄ a jej wartością teoretyczną. W artykule zbadano główne czynniki odpowiedzialne za taką rozbieżność.

1 tlen kratowy

Przewodzenie ciepła w Si₃N₄ zależy głównie od transmisji fononów. Niedoskonałości sieci, w tym puste przestrzenie, wady układania i zanieczyszczenia międzykrystaliczne, intensyfikują rozpraszanie fononów i pogarszają przewodność cieplną azotku krzemu.

Tlen sieciowy jest decydującym czynnikiem zmieniającym przewodność cieplną Si₃N₄. Po wniknięciu atomów tlenu do sieci Si₃N₄ tworzą się wakaty krzemu, drastycznie skracając średnią drogę swobodną fononów i odpowiednio zmniejszając przewodność cieplną. Aby zwiększyć wydajność cieplną Si₃N₄, należy zminimalizować zawartość tlenu w surowych proszkach, aby zoptymalizować aktywność spiekania, zachowując jednocześnie drobne początkowe rozmiary cząstek, aby zablokować dodatkowe zanieczyszczenie tlenem.

Konwencjonalne dodatki do spiekaniaSi₃N₄są kolejnym głównym źródłem tlenu sieciowego. Dodatki te tworzą międzykrystaliczne fazy wtórne o przewodności cieplnej na ogół poniżej 1 W/(m·K) w fazie ciekłej, co pogarsza przewodność cieplną w masie Si₃N₄. Istniejące badania potwierdzają, że zastosowanie dodatków do spiekania tlenków metali ziem rzadkich zmniejsza zawartość tlenu w sieci w miarę zmniejszania się promienia jonowego pierwiastków ziem rzadkich. Preferowane jest spiekanie w niskiej temperaturze, aby obniżyć koszty produkcji podłoży ceramicznych Si₃N₄, zapewniając jednocześnie pełne zagęszczenie i pożądaną wielkość ziaren.

Ponadto umiarkowany dodatek redukującego proszku węglowego hamuje tworzenie fazy wtórnej i poprawia czystość sieci; należy unikać nadmiernej ilości wolnego węgla, aby osiągnąć podwyższoną przewodność cieplną.

2 Struktura krystaliczna azotku krzemu

Azotek krzemu jest silnie kowalencyjnym związkiem o masie cząsteczkowej 140,68. Jego dwie dominujące odmiany polimorficzne, α-Si₃N₄ i β-Si₃N₄, należą do heksagonalnego układu kryształów. Biorąc pod uwagę, że ceramika Si₃N₄ jest powszechnie spiekana w temperaturze powyżej 1800°C, β‑Si₃N₄ stanowi dominującą fazę krystaliczną w dostępnych na rynku składnikach Si₃N₄.

(1) Siła napędowa wzrostu ziarna β‑Si₃N₄

Resztkowy nieprzekształcony α-Si₃N₄ pozostający podczas przejścia fazowego α-do-β wywiera wyraźny negatywny wpływ na przewodność cieplną. Zatem całkowita przemiana fazowa z α‑Si₃N₄ do β‑Si₃N₄ jest niezbędna do ułatwienia zarodkowania i wzrostu ziaren β‑Si₃N₄ w celu poprawy przewodności cieplnej.

(2) Morfologia uprawianych ziaren β‑Si₃N₄

Przewodność cieplna wzrasta wyraźnie wraz ze wzrostem wielkości ziaren β‑Si₃N₄, a wydłużony czas wyżarzania dodatkowo zwiększa zdolność przenoszenia ciepła. Jednakże, gdy ziarna osiągną wymiar krytyczny, dodatkowe pogrubienie ziaren powoduje znikomą poprawę parametrów cieplnych.

3 Gęstość względna

Gęstość względna wywiera znaczący wpływ na przewodność cieplną Si₃N₄. Wyższa porowatość prowadzi do wyraźnego pogorszenia przewodności cieplnej. Ogólnie rzecz biorąc, ceramika Si₃N₄ o wysokiej przewodności cieplnej charakteryzuje się podwyższoną gęstością nasypową i dyfuzyjnością cieplną, a tlenki metali ziem rzadkich ułatwiają wytwarzanie całkowicie gęstego azotku krzemu. Spiekanie w fazie ciekłej jest obowiązkowe w celu zagęszczenia ceramiki z azotku krzemu, a końcowa gęstość Si₃N₄ zmienia się w zależności od różnych parametrów spiekania i metod przetwarzania. Z tego powodu wybór odpowiednich technik spiekania ma kluczowe znaczenie przy wytwarzaniu ceramiki Si₃N₄ o wysokiej przewodności cieplnej.

Semicorex oferuje wysoką jakośćsPłyta z azotku krzemusdo procesów utleniania termicznego. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com