Причини за разликата между практическата и теоретичната топлопроводимост на керамиката от силициев нитрид

Силициевият нитрид (Si₃N₄) е структурен керамичен материал с присъща топлопроводимост около 320 W/(m·K), отличаващ се с висока топлопроводимост и изключителни механични свойства. Благодарение на превъзходната си стабилност при околна температура, Si₃N4 се превърна в широко разпространен опаковъчен материал за керамични субстрати за съвременната полупроводникова индустрия. Съществува обаче забележимо несъответствие между практическата топлопроводимост на Si₃N4 и неговата теоретична стойност. Този документ изследва основните фактори, отговорни за такова разминаване.

1 решетъчен кислород

Топлинната проводимост в Si₃N4 се управлява предимно от фононно предаване. Несъвършенствата на решетката, включително свободни места, грешки при подреждане и междукристални примеси, усилват фононното разсейване и влошават топлопроводимостта на силициевия нитрид.

Решетъчният кислород служи като решаващ фактор, променящ топлопроводимостта на Si₃N4. След като кислородните атоми проникнат през решетката на Si₃N4, се образуват свободни места в силиция, което драстично скъсява средния свободен път на фонона и съответно намалява топлопроводимостта. За да се повиши топлинната ефективност на Si₃N4, съдържанието на кислород в суровите прахове трябва да бъде сведено до минимум, за да се оптимизира активността на синтероване, докато фините начални размери на частиците се запазват, за да се блокира допълнително замърсяване с кислород.

Конвенционални добавки за синтероване заSi₃N₄са друг основен източник на решетъчен кислород. Тези добавки образуват междугранулирани вторични фази с топлопроводимост обикновено под 1 W/(m·K) в течната фаза, което влошава общата топлопроводимост на Si3N4. Съществуващите изследвания потвърждават, че приемането на добавки за синтероване на редкоземни оксиди намалява съдържанието на кислород в решетката, тъй като йонният радиус на редкоземните елементи намалява. Нискотемпературното синтероване се предпочита за намаляване на производствените разходи на Si₃N₄ керамични субстрати, като същевременно се осигури пълно уплътняване и желан размер на зърното.

Освен това умереното добавяне на редуциращ въглероден прах потиска образуването на вторична фаза и подобрява чистотата на решетката; прекомерният свободен въглерод трябва да се избягва, за да се постигне повишена топлопроводимост.

2 Кристална структура на силициев нитрид

Силициевият нитрид е силно ковалентно съединение с молекулно тегло 140,68. Двата му преобладаващи полиморфа, α‑Si₃N₄ и β‑Si₃N4, и двата принадлежат към хексагоналната кристална система. Като се има предвид, че Si₃N4 керамиката обикновено се синтерува над 1800 °C, β‑Si3N4 представлява доминиращата кристална фаза в наличните в търговската мрежа Si₃N4 компоненти.

(1) Движеща сила за β‑Si₃N₄ растеж на зърно

Остатъчният нетрансформиран α‑Si₃N₄, оставащ по време на фазовия преход α‑към‑β, налага ясно изразено отрицателно въздействие върху топлопроводимостта. Следователно пълната фазова трансформация от α‑Si₃N₄ в β‑Si₃N4 е от съществено значение за улесняване на образуването на ядра и растежа на зърната на β‑Si₃N4 за подобрена топлопроводимост.

(2) Морфология на отгледани β‑Si₃N₄ зърна

Топлинната проводимост се повишава значително с увеличаване на размера на зърната на β-Si₃N4, а удължената продължителност на отгряване допълнително подобрява способността за пренос на топлина. Въпреки това, след като зърната нараснат над критичния размер, допълнителното загрубяване на зърното води до незначително подобрение на топлинните характеристики.

3 Относителна плътност

Относителната плътност оказва значително влияние върху топлопроводимостта на Si₃N4. По-високата порьозност води до очевидно влошаване на топлопроводимостта. Като цяло Si₃N₄ керамиката с висока топлопроводимост притежава повишена обемна плътност и топлопроводимост, а редкоземните оксиди улесняват производството на напълно плътен силициев нитрид. Синтероването в течна фаза е задължително за реализиране на уплътняване на керамиката от силициев нитрид и крайната плътност на Si₃N4 варира при различните параметри на синтероване и методи на обработка. Поради тази причина изборът на подходящи техники за синтероване е от решаващо значение за производството на Si₃N₄ керамика с висока топлопроводимост.

Semicorex предлага високо качествоsиликон нитридна плочаsза процеси на термично окисление. Ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com