Syitä piinitridikeramiikan käytännön ja teoreettisen lämmönjohtavuuden väliseen aukkoon

Piinitridi (Si3N4) on keraaminen rakennemateriaali, jonka sisäinen lämmönjohtavuus on noin 320 W/(m·K), jolla on korkea lämmönjohtavuus ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Ylivoimaisen stabiiliutensa ansiosta ympäristön lämpötilassa Si3N4:stä on tullut laajalti käytetty keraaminen substraattipakkausmateriaali nykyaikaisessa puolijohdeteollisuudessa. Si3N4:n käytännön lämmönjohtavuuden ja sen teoreettisen arvon välillä on kuitenkin huomattava ero. Tässä artikkelissa tarkastellaan tärkeimpiä tekijöitä, jotka ovat vastuussa tällaisesta erosta.

1 Hilan happi

Lämmönjohtavuutta Si3N4:ssä säätelee pääasiassa fononien lähetys. Hilan epätäydellisyydet, mukaan lukien tyhjät paikat, pinoamisvirheet ja rakeiden väliset epäpuhtaudet, tehostavat fononien sirontaa ja heikentävät piinitridin lämmönjohtavuutta.

Hilan happi toimii ratkaisevana tekijänä, joka muuttaa Si3N4-lämmönjohtavuutta. Kun happiatomit tunkeutuvat Si3N4-hilan läpi, muodostuu piivakoja, mikä lyhentää huomattavasti fononin keskimääräistä vapaata polkua ja pienentää vastaavasti lämmönjohtavuutta. Si3N4:n lämpösuorituskyvyn parantamiseksi raakajauheiden happipitoisuus tulisi minimoida sintrausaktiivisuuden optimoimiseksi, kun taas hienot lähtöhiukkaskoot säilytetään ylimääräisen happikontaminaation estämiseksi.

Perinteiset sintrauslisäaineetSi3N4ovat toinen suuri hilan hapen lähde. Nämä lisäaineet muodostavat rakeiden välisiä sekundaarisia faaseja, joiden lämmönjohtavuus on yleensä alle 1 W/(m-K) nestefaasissa, mikä heikentää Si3N4:n bulkkilämmönjohtavuutta. Nykyiset tutkimukset vahvistavat, että harvinaisten maametallien oksideja sisältävien sintrauslisäaineiden käyttö vähentää hilan happipitoisuutta, kun harvinaisten maametallien ionisäde pienenee. Matalan lämpötilan sintraus on edullinen Si3N4-keraamisten substraattien tuotantokustannusten alentamiseksi samalla kun varmistetaan täydellinen tiivistyminen ja haluttu raekoko.

Lisäksi pelkistävän hiilijauheen kohtalainen lisäys estää sekundaarifaasin muodostusta ja parantaa hilan puhtautta; Liiallista vapaata hiiltä tulisi välttää korkeamman lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi.

2 Piinitridin kiderakenne

Piinitridi on vahvasti kovalenttinen yhdiste, jonka molekyylipaino on 140,68. Sen kaksi yleistä polymorfia, α-Si₃N4 ja β-Si3N4, kuuluvat molemmat kuusikulmaiseen kidejärjestelmään. Ottaen huomioon, että Si3N4-keramiikka sintrataan yleensä yli 1800 °C:ssa, β-Si3N4 muodostaa hallitsevan kidefaasin kaupallisesti saatavissa Si3N4-komponenteissa.

(1) β-Si₃N4 viljan kasvua edistävä voima

Jäljellä oleva muuntamaton α-Si₃N4 α-to-β-faasisiirtymän aikana vaikuttaa voimakkaasti negatiivisesti lämmönjohtavuuteen. Näin ollen täydellinen faasimuunnos α-Si₃N4:stä β-Si₃N4:ksi on välttämätöntä β-Si₃N4:n ytimien muodostumisen ja rakeiden kasvun helpottamiseksi lämmönjohtavuuden parantamiseksi.

(2) Kasvattujen β-Si₃N4-jyvien morfologia

Lämmönjohtavuus kasvaa huomattavasti β-Si₃N4-raekoon kasvaessa, ja pidentynyt hehkutusaika parantaa edelleen lämmönsiirtokykyä. Kuitenkin, kun jyvät kasvavat kriittisen ulottuvuuden yli, jyvien lisäkarkeneminen parantaa lämpötehoa vain vähän.

3 Suhteellinen tiheys

Suhteellisella tiheydellä on merkittävä vaikutus Si3N4-lämmönjohtavuuteen. Suurempi huokoisuus johtaa ilmeiseen lämmönjohtavuuden heikkenemiseen. Yleensä korkean lämmönjohtavuuden omaavilla Si₃N4-keramiikalla on korkea irtotiheys ja lämpödiffuusio, ja harvinaisten maametallien oksidit helpottavat täysin tiheän piinitridin valmistusta. Nestefaasisintraus on pakollinen piinitridikeramiikan tiivistymisen toteuttamiseksi, ja Si3N4:n lopullinen tiheys vaihtelee eri sintrausparametrien ja käsittelymenetelmien mukaan. Tästä syystä sopivien sintraustekniikoiden valitseminen on kriittistä korkean lämmönjohtavuuden omaavien Si3N4-keramiikan valmistuksessa.

Semicorex tarjoaa korkealaatuistasIlikoninitridilevyslämpöhapetusprosesseihin. Jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä.

Puhelinnumero +86-13567891907

Sähköposti: sales@semicorex.com