Redenen voor de kloof tussen praktische en theoretische thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek

Siliciumnitride (Si₃N₄) is een structureel keramisch materiaal met een intrinsieke thermische geleidbaarheid van ongeveer 320 W/(m·K), met een hoge thermische geleidbaarheid en uitstekende mechanische eigenschappen. Dankzij de superieure stabiliteit bij omgevingstemperatuur is Si₃N₄ een algemeen toegepast keramisch substraatverpakkingsmateriaal geworden voor de moderne halfgeleiderindustrie. Er bestaat echter een opmerkelijke discrepantie tussen de praktische thermische geleidbaarheid van Si3N4 en de theoretische waarde ervan. Dit artikel onderzoekt de belangrijkste factoren die verantwoordelijk zijn voor dergelijke verschillen.

1 Roosterzuurstof

De warmtegeleiding in Si₃N₄ wordt voornamelijk bepaald door fonontransmissie. Roosterimperfecties, waaronder vacatures, stapelfouten en intergranulaire onzuiverheden, intensiveren de fononverstrooiing en verslechteren de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride.

Roosterzuurstof fungeert als een beslissende factor die de thermische geleidbaarheid van Si₃N₄ verandert. Nadat zuurstofatomen het Si3N4-rooster zijn binnengedrongen, vormen zich siliciumvacatures, waardoor het gemiddelde vrije pad van de fononen drastisch wordt verkort en de thermische geleidbaarheid dienovereenkomstig wordt verminderd. Om de thermische prestaties van Si₃N₄ te verbeteren, moet het zuurstofgehalte in ruwe poeders worden geminimaliseerd om de sinteractiviteit te optimaliseren, terwijl de fijne deeltjesgroottes behouden blijven om extra zuurstofverontreiniging te blokkeren.

Conventionele sinteradditieven voorSi₃N₄zijn een andere belangrijke bron van roosterzuurstof. Deze additieven vormen intergranulaire secundaire fasen met een thermische geleidbaarheid die in het algemeen lager is dan 1 W/(m·K) in de vloeibare fase, wat de thermische geleidbaarheid van Si3N4 in de bulk verslechtert. Bestaand onderzoek bevestigt dat het gebruik van sinteradditieven voor zeldzame aardoxide het zuurstofgehalte in het rooster vermindert naarmate de ionenstraal van zeldzame aardmetalen afneemt. Sinteren bij lage temperatuur heeft de voorkeur om de productiekosten van Si₃N₄ keramische substraten te verlagen en tegelijkertijd de volledige verdichting en de gewenste korrelgrootte te garanderen.

Bovendien onderdrukt een matige toevoeging van reducerend koolstofpoeder de vorming van de secundaire fase en verbetert de roosterzuiverheid; overmatige vrije koolstof moet worden vermeden om een ​​verhoogde thermische geleidbaarheid te bereiken.

2 Kristalstructuur van siliciumnitride

Siliciumnitride is een sterk covalente verbinding met een molecuulgewicht van 140,68. De twee voorkomende polymorfen, α‑Si₃N₄ en β‑Si₃N₄, behoren beide tot het hexagonale kristalsysteem. Gegeven dat Si₃N₄-keramiek doorgaans boven 1800 °C wordt gesinterd, vormt β‑Si₃N₄ de dominante kristallijne fase in commercieel verkrijgbare Si₃N₄-componenten.

(1) Drijvende kracht achter de groei van β-Si₃N₄-graan

Resterend ongetransformeerd α-Si₃N₄ dat achterblijft tijdens de α-naar-β-faseovergang heeft een uitgesproken negatief effect op de thermische geleidbaarheid. Daarom is een volledige fasetransformatie van α-Si₃N₄ naar β-Si₃N₄ essentieel om de kiemvorming en korrelgroei van β-Si₃N₄ te vergemakkelijken voor een betere thermische geleidbaarheid.

(2) Morfologie van gekweekte β-Si₃N₄-korrels

De thermische geleidbaarheid neemt aanzienlijk toe met toenemende β-Si₃N₄ korrelgrootte, en een verlengde gloeiduur verbetert het warmteoverdrachtsvermogen verder. Zodra korrels echter een kritische dimensie overschrijden, zorgt extra vergroving van de korrels voor een verwaarloosbare verbetering van de thermische prestaties.

3 Relatieve dichtheid

De relatieve dichtheid oefent een prominente invloed uit op de thermische geleidbaarheid van Si₃N₄. Een hogere porositeit leidt tot duidelijke verslechtering van de thermische geleidbaarheid. Over het algemeen bezitten Si₃N₄-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid een verhoogde bulkdichtheid en thermische diffusiviteit, en oxiden van zeldzame aardmetalen vergemakkelijken de productie van volledig dicht siliciumnitride. Sinteren in de vloeistoffase is verplicht om verdichting van siliciumnitride-keramiek te realiseren en de uiteindelijke dichtheid van Si₃N₄ varieert onder verschillende sinterparameters en verwerkingsmethoden. Om deze reden is het selecteren van geschikte sintertechnieken van cruciaal belang voor de productie van Si3N4-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid.

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitssiliciumnitride plaatsvoor thermische oxidatieprocessen. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com