Причины разрыва между практической и теоретической теплопроводностью керамики из нитрида кремния

Нитрид кремния (Si₃N₄) представляет собой конструкционный керамический материал с собственной теплопроводностью около 320 Вт/(м·К), обладающий высокой теплопроводностью и выдающимися механическими свойствами. Благодаря своей превосходной стабильности при температуре окружающей среды Si₃N₄ стал широко распространенным упаковочным материалом для керамических подложек в современной полупроводниковой промышленности. Однако существует заметное несоответствие между практической теплопроводностью Si₃N₄ и ее теоретическим значением. В данной статье рассматриваются основные факторы, ответственные за такое расхождение.

1 решетка кислорода

Теплопроводность в Si₃N₄ преимущественно определяется передачей фононов. Несовершенства решетки, включая вакансии, дефекты упаковки и межзеренные примеси, усиливают рассеяние фононов и ухудшают теплопроводность нитрида кремния.

Кислород решетки служит решающим фактором, изменяющим теплопроводность Si₃N₄. После того, как атомы кислорода проникают в решетку Si₃N₄, образуются вакансии в кремнии, резко сокращающие длину свободного пробега фононов и соответственно снижающие теплопроводность. Чтобы повысить термические характеристики Si₃N₄, содержание кислорода в исходных порошках должно быть сведено к минимуму для оптимизации активности спекания, в то время как мелкие исходные частицы сохраняются, чтобы блокировать дополнительное загрязнение кислородом.

Обычные спекающие добавки дляСи₃N₄являются еще одним важным источником решеточного кислорода. Эти добавки образуют межзеренные вторичные фазы с теплопроводностью обычно ниже 1 Вт/(м·К) внутри жидкой фазы, что ухудшает объемную теплопроводность Si₃N₄. Существующие исследования подтверждают, что использование спекающих добавок из оксидов редкоземельных элементов снижает содержание кислорода в решетке по мере уменьшения ионного радиуса редкоземельных элементов. Низкотемпературное спекание является предпочтительным для снижения затрат на производство керамических подложек Si₃N₄, обеспечивая при этом полное уплотнение и желаемый размер зерна.

Кроме того, умеренное добавление порошка восстановительного углерода подавляет образование вторичной фазы и улучшает чистоту решетки; следует избегать чрезмерного содержания свободного углерода для достижения повышенной теплопроводности.

2 Кристаллическая структура нитрида кремния

Нитрид кремния — сильноковалентное соединение с молекулярной массой 140,68. Две его распространенные полиморфные модификации, α-Si₃N₄ и β-Si₃N₄, принадлежат к гексагональной кристаллической системе. Учитывая, что керамику Si₃N₄ обычно спекают при температуре выше 1800 °C, β-Si₃N₄ составляет доминирующую кристаллическую фазу в коммерчески доступных компонентах Si₃N₄.

(1) Движущая сила роста зерна β-Си₃N₄

Остаток непреобразованного α-Si₃N₄, остающийся при фазовом переходе α-в-β, оказывает выраженное негативное влияние на теплопроводность. Следовательно, полное фазовое превращение из α-Si₃N₄ в β-Si₃N₄ необходимо для облегчения зародышеобразования и роста зерен β-Si₃N₄ для улучшения теплопроводности.

(2) Морфология выращенных зерен β-Си₃N₄

Теплопроводность заметно возрастает с увеличением размера зерна β-Si₃N₄, а увеличенная продолжительность отжига еще больше увеличивает способность теплопередачи. Однако, как только размеры зерен превышают критический размер, дополнительное укрупнение зерен приводит к незначительному улучшению тепловых характеристик.

3 Относительная плотность

Относительная плотность оказывает заметное влияние на теплопроводность Si₃N₄. Более высокая пористость приводит к заметному ухудшению теплопроводности. В целом керамика Si₃N₄ с высокой теплопроводностью обладает повышенной объемной плотностью и температуропроводностью, а оксиды редкоземельных элементов облегчают изготовление полностью плотного нитрида кремния. Жидкофазное спекание является обязательным для реализации уплотнения керамики из нитрида кремния, а конечная плотность Si₃N₄ варьируется в зависимости от различных параметров спекания и методов обработки. По этой причине выбор подходящих методов спекания имеет решающее значение для производства керамики Si₃N₄ с высокой теплопроводностью.

Semicorex предлагает высококачественныеsпластина из нитрида кремнияsдля процессов термического окисления. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон +86-13567891907.

Электронная почта: sales@semicorex.com