Årsaker til gapet mellom praktisk og teoretisk termisk ledningsevne for silisiumnitridkeramikk

Silisiumnitrid (Si₃N₄) er et strukturelt keramisk materiale med en iboende termisk ledningsevne rundt 320 W/(m·K), med høy varmeledningsevne og enestående mekaniske egenskaper. Takket være sin overlegne stabilitet ved omgivelsestemperatur, har Si₃N₄ blitt et bredt brukt keramisk substratemballasjemateriale for den moderne halvlederindustrien. Imidlertid er det en bemerkelsesverdig avvik mellom den praktiske termiske ledningsevnen til Si3N4 og dens teoretiske verdi. Denne artikkelen utforsker de primære faktorene som er ansvarlige for slik divergens.

1 Gitter oksygen

Varmeledning i Si₃N4 er hovedsakelig styrt av fononoverføring. Gitterfeil inkludert ledige plasser, stablingsfeil og intergranulære urenheter intensiverer fononspredning og forringer den termiske ledningsevnen til silisiumnitrid.

Gitteroksygen tjener som en avgjørende faktor som endrer Si3N4 termisk ledningsevne. Etter at oksygenatomer har penetrert Si₃N4-gitteret, dannes ledige silisiumplasser, noe som drastisk forkorter fononets gjennomsnittlige frie bane og reduserer termisk ledningsevne tilsvarende. For å øke den termiske ytelsen til Si₃N4 bør oksygeninnholdet i råpulver minimeres for å optimalisere sintringsaktiviteten, mens fine startpartikkelstørrelser beholdes for å blokkere ekstra oksygenforurensning.

Konvensjonelle sintringsadditiver forSi3N4er en annen viktig kilde til gitteroksygen. Disse tilsetningsstoffene danner intergranulære sekundære faser med termisk ledningsevne generelt under 1 W/(m·K) i væskefasen, noe som svekker den store termiske ledningsevnen til Si3N4. Eksisterende forskning bekrefter at ved å ta i bruk sintringsadditiver for sjeldne jordarters oksyd reduserer gitterets oksygeninnhold ettersom ioneradiusen til sjeldne jordelementer reduseres. Lavtemperatursintring foretrekkes for å kutte produksjonskostnadene for Si₃N₄-keramiske substrater, samtidig som full fortetting og ønsket kornstørrelse sikres.

Videre undertrykker moderat tilsetning av reduserende karbonpulver sekundærfasedannelse og forbedrer gitterrenheten; for mye fritt karbon bør unngås for å oppnå forhøyet varmeledningsevne.

2 Krystallstruktur av silisiumnitrid

Silisiumnitrid er en sterkt kovalent forbindelse med en molekylvekt på 140,68. Dens to utbredte polymorfe, α‑Si₃N₄ og β‑Si₃N₄, tilhører begge det sekskantede krystallsystemet. Gitt at Si₃N4-keramikk vanligvis sintres over 1800 °C, utgjør β‑Si₃N4 den dominerende krystallinske fasen i kommersielt tilgjengelige Si₃N4-komponenter.

(1) Drivkraft for β‑Si₃N₄ kornvekst

Gjenværende utransformerte α‑Si₃N₄ som gjenstår under α‑til‑β-faseovergangen medfører en uttalt negativ innvirkning på termisk ledningsevne. Derfor er fullstendig fasetransformasjon fra α‑Si₃N₄ til β‑Si₃N₄ avgjørende for å lette kjernedannelse og kornvekst av β‑Si₃N4 for forbedret varmeledningsevne.

(2) Morfologi av dyrkede β‑Si₃N₄-korn

Varmeledningsevnen øker markant med økende β‑Si₃N₄-kornstørrelse, og utvidet glødevarighet forbedrer varmeoverføringsevnen ytterligere. Men når korn vokser utover en kritisk dimensjon, gir ytterligere korngrovning ubetydelig forbedring av termisk ytelse.

3 Relativ tetthet

Relativ tetthet utøver en fremtredende innflytelse på Si3N4 termisk ledningsevne. Høyere porøsitet fører til tydelig forringelse av termisk ledningsevne. Generelt har Si₃N₄-keramikk med høy termisk ledningsevne forhøyet bulkdensitet og termisk diffusivitet, og sjeldne jordartsoksider letter fremstillingen av fullt tett silisiumnitrid. Væskefasesintring er obligatorisk for å realisere fortetting av silisiumnitridkeramikk, og den endelige tettheten til Si₃N₄ varierer under forskjellige sintringsparametere og prosesseringsmetoder. Av denne grunn er det avgjørende å velge passende sintringsteknikker for å produsere Si₃N4-keramikk med høy termisk ledningsevne.

Semicorex tilbyr høy kvalitetsilicon nitrid platesfor termiske oksidasjonsprosesser. Hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakt telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com