أسباب الفجوة بين التوصيل الحراري العملي والنظري لسيراميك نيتريد السيليكون

نيتريد السيليكون (Si₃N₄) عبارة عن مادة خزفية هيكلية ذات موصلية حرارية جوهرية تبلغ حوالي 320 واط/(م·ك)، وتتميز بموصلية حرارية عالية وخصائص ميكانيكية متميزة. بفضل ثباته الفائق في درجة الحرارة المحيطة، أصبح Si₃N₄ مادة تعبئة ركيزة سيراميكية معتمدة على نطاق واسع لصناعة أشباه الموصلات الحديثة. ومع ذلك، هناك تناقض ملحوظ بين التوصيل الحراري العملي لـ Si₃N₄ وقيمته النظرية. تستكشف هذه الورقة العوامل الأساسية المسؤولة عن هذا الاختلاف.

1 شعرية الأكسجين

يخضع التوصيل الحراري في Si₃N₄ في الغالب عن طريق انتقال الفونون. تعمل عيوب الشبكة بما في ذلك الشواغر وأخطاء التراص والشوائب الحبيبية على تكثيف تشتت الفونون وتقليل التوصيل الحراري لنتريد السيليكون.

يعمل الأكسجين الشبكي كعامل حاسم في تغيير التوصيل الحراري لـ Si₃N₄. بعد أن تخترق ذرات الأكسجين شبكة Si₃N₄، تتشكل شواغر السيليكون، مما يؤدي إلى تقصير المسار الحر للفونون بشكل كبير وتقليل التوصيل الحراري وفقًا لذلك. لتعزيز الأداء الحراري لـ Si₃N₄، يجب تقليل محتوى الأكسجين في المساحيق الخام إلى الحد الأدنى لتحسين نشاط التلبيد، في حين يتم الاحتفاظ بأحجام جزيئات البداية الدقيقة لمنع التلوث الإضافي بالأكسجين.

إضافات التلبيد التقليدية لSi₃N₄مصدر رئيسي آخر للأكسجين الشبكي. تشكل هذه الإضافات أطوارًا ثانوية بين الحبيبات ذات موصلية حرارية عمومًا أقل من 1 واط/(م·ك) داخل الطور السائل، مما يضعف التوصيل الحراري بالجملة لـ Si₃N₄. تؤكد الأبحاث الحالية أن استخدام إضافات تلبيد أكسيد الأرض النادرة يقلل من محتوى الأكسجين الشبكي مع انخفاض نصف القطر الأيوني للعناصر الأرضية النادرة. يُفضل التلبيد بدرجة حرارة منخفضة لخفض تكاليف إنتاج ركائز السيراميك Si₃N₄ مع ضمان التكثيف الكامل وحجم الحبوب المرغوب فيه.

علاوة على ذلك، فإن الإضافة المعتدلة لمسحوق الكربون المختزل تمنع تكوين المرحلة الثانوية وتحسن نقاء الشبكة؛ وينبغي تجنب الكربون الحر المفرط لتحقيق التوصيل الحراري العالي.

2 التركيب البلوري لنتريد السيليكون

نيتريد السيليكون مركب تساهمي بقوة ويبلغ وزنه الجزيئي 140.68. اثنان من الأشكال المتعددة السائدة، α‑Si₃N₄ وβ‑Si₃N₄، كلاهما ينتميان إلى النظام البلوري السداسي. نظرًا لأن سيراميك Si₃N₄ عادةً ما يكون متكلسًا فوق 1800 درجة مئوية، فإن β‑Si₃N₄ يشكل الطور البلوري السائد في مكونات Si₃N₄ المتاحة تجاريًا.

(1) القوة الدافعة لنمو الحبوب β‑Si₃N₄

يفرض α‑Si₃N₄ المتبقي غير المتحول أثناء انتقال الطور α‑to‑β تأثيرًا سلبيًا واضحًا على التوصيل الحراري. وبالتالي، يعد التحول الكامل للمرحلة من α‑Si₃N₄ إلى β‑Si₃N₄ ضروريًا لتسهيل التنوي ونمو الحبوب لـ β‑Si₃N₄ لتحسين التوصيل الحراري.

(2) مورفولوجيا الحبوب المزروعة β‑Si₃N₄

ترتفع الموصلية الحرارية بشكل ملحوظ مع زيادة حجم حبيبات β‑Si₃N₄، كما تعمل مدة التلدين الممتدة على تعزيز القدرة على نقل الحرارة. ومع ذلك، بمجرد أن تنمو الحبوب إلى ما هو أبعد من البعد الحرج، فإن خشونة الحبوب الإضافية تؤدي إلى تحسن ضئيل في الأداء الحراري.

3 الكثافة النسبية

تمارس الكثافة النسبية تأثيرًا بارزًا على التوصيل الحراري لـ Si₃N₄. تؤدي المسامية العالية إلى تدهور واضح في التوصيل الحراري. بشكل عام، يمتلك سيراميك Si₃N₄ عالي التوصيل الحراري كثافة كبيرة وانتشارية حرارية مرتفعة، كما تسهل أكاسيد الأرض النادرة تصنيع نيتريد السيليكون عالي الكثافة. يعد تلبيد الطور السائل أمرًا إلزاميًا لتحقيق تكثيف سيراميك نيتريد السيليكون وتختلف الكثافة النهائية لـ Si₃N₄ تحت معلمات التلبيد وطرق المعالجة المختلفة. لهذا السبب، يعد اختيار تقنيات التلبيد المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لتصنيع سيراميك Si₃N₄ عالي التوصيل الحراري.

تقدم Semicorex جودة عاليةsلوحة نيتريد السيليكونsلعمليات الأكسدة الحرارية. إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال رقم +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com