Årsager til kløften mellem praktisk og teoretisk termisk ledningsevne af siliciumnitridkeramik

Siliciumnitrid (Si₃N₄) er et strukturelt keramisk materiale med en iboende termisk ledningsevne omkring 320 W/(m·K), med høj varmeledningsevne og fremragende mekaniske egenskaber. Takket være dets overlegne stabilitet ved omgivelsestemperatur er Si₃N₄ blevet et bredt udbredt keramisk substratemballagemateriale til den moderne halvlederindustri. Imidlertid er der en bemærkelsesværdig uoverensstemmelse mellem den praktiske termiske ledningsevne af Si3N4 og dens teoretiske værdi. Dette papir undersøger de primære faktorer, der er ansvarlige for en sådan divergens.

1 Gitter Ilt

Varmeledning i Si3N4 er overvejende styret af fonontransmission. Gitterufuldkommenheder, herunder ledige pladser, stablingsfejl og intergranulære urenheder intensiverer fononspredning og forringer den termiske ledningsevne af siliciumnitrid.

Gitterilt tjener som en afgørende faktor, der ændrer Si3N4 termisk ledningsevne. Efter at oxygenatomer er trængt ind i Si₃N4-gitteret, dannes der ledige siliciumpladser, hvilket drastisk forkorter den gennemsnitlige frie vej for fonon og reducerer den termiske ledningsevne tilsvarende. For at øge den termiske ydeevne af Si₃N4 bør oxygenindholdet i råpulvere minimeres for at optimere sintringsaktiviteten, mens fine startpartikelstørrelser bibeholdes for at blokere ekstra oxygenforurening.

Konventionelle sintringsadditiver tilSi3N4er en anden vigtig kilde til gitterilt. Disse additiver danner intergranulære sekundære faser med termisk ledningsevne generelt under 1 W/(m·K) i væskefasen, hvilket forringer den store varmeledningsevne af Si3N4. Eksisterende forskning bekræfter, at anvendelse af sintringsadditiver af sjældne jordarters oxid reducerer gitterets iltindhold, efterhånden som den ioniske radius af sjældne jordarters grundstoffer falder. Lavtemperatursintring foretrækkes for at reducere produktionsomkostningerne for Si₃N₄-keramiske substrater, samtidig med at fuld fortætning og ønskelig kornstørrelse sikres.

Desuden undertrykker moderat tilsætning af reducerende kulstof dannelse af sekundær fase og forbedrer gitterets renhed; for meget frit kulstof bør undgås for at opnå forhøjet varmeledningsevne.

2 Krystalstruktur af siliciumnitrid

Siliciumnitrid er en stærkt kovalent forbindelse med en molekylvægt på 140,68. Dens to fremherskende polymorfer, α‑Si₃N₄ og β‑Si₃N4, tilhører begge det sekskantede krystalsystem. I betragtning af, at Si₃N4-keramik almindeligvis sintres over 1800 °C, udgør β‑Si₃N4 den dominerende krystallinske fase i kommercielt tilgængelige Si₃N4-komponenter.

(1) Drivkraft for β‑Si₃N₄ kornvækst

Resterende utransformeret α‑Si₃N₄, der er tilbage under α‑til‑β faseovergangen, medfører en udtalt negativ indvirkning på den termiske ledningsevne. Derfor er fuldstændig fasetransformation fra α‑Si₃N₄ til β‑Si₃N4 essentiel for at lette nukleering og kornvækst af β‑Si₃N4 for forbedret termisk ledningsevne.

(2) Morfologi af dyrkede β‑Si₃N₄-korn

Termisk ledningsevne stiger markant med stigende β‑Si₃N₄-kornstørrelse, og forlænget udglødningsvarighed forbedrer varmeoverførselsevnen yderligere. Men når korn vokser ud over en kritisk dimension, giver yderligere korngrovning ubetydelig forbedring af den termiske ydeevne.

3 Relativ tæthed

Relativ tæthed udøver en fremtrædende indflydelse på Si3N4 termisk ledningsevne. Højere porøsitet fører til tydelig forringelse af varmeledningsevnen. Generelt har Si₃N₄-keramik med høj termisk ledningsevne forhøjet bulkdensitet og termisk diffusivitet, og oxider af sjældne jordarter letter fremstillingen af ​​fuldt tæt siliciumnitrid. Væskefasesintring er obligatorisk for at realisere fortætning af siliciumnitridkeramik, og den endelige densitet af Si₃N₄ varierer under forskellige sintringsparametre og behandlingsmetoder. Af denne grund er valg af passende sintringsteknikker afgørende for fremstilling af Si₃N4-keramik med høj termisk ledningsevne.

Semicorex tilbyder høj kvalitetsilicon nitrid pladestil termiske oxidationsprocesser. Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon # +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com