Orsaker till klyftan mellan praktisk och teoretisk värmeledningsförmåga hos kiselnitridkeramik

Kiselnitrid (Si₃N₄) är ett strukturellt keramiskt material med en inneboende värmeledningsförmåga runt 320 W/(m·K), med hög värmeledningsförmåga och enastående mekaniska egenskaper. Tack vare sin överlägsna stabilitet vid omgivningstemperatur har Si₃N₄ blivit ett allmänt antaget keramiskt substratförpackningsmaterial för den moderna halvledarindustrin. Det finns emellertid en anmärkningsvärd diskrepans mellan den praktiska värmeledningsförmågan hos Si3N4 och dess teoretiska värde. Detta dokument undersöker de primära faktorerna som är ansvariga för sådan divergens.

1 Gittersyre

Värmeledning i Si3N4 styrs övervägande av fononöverföring. Gallerdefekter inklusive vakanser, staplingsfel och intergranulära föroreningar intensifierar fononspridningen och försämrar den termiska konduktiviteten hos kiselnitrid.

Gittersyre tjänar som en avgörande faktor för att förändra Si3N4 värmeledningsförmåga. Efter att syreatomer penetrerar Si₃N4-gittret bildas kiselvakanser, vilket drastiskt förkortar fononens medelfria väg och minskar värmeledningsförmågan i enlighet därmed. För att öka den termiska prestandan hos Si₃N4 bör syrehalten i råpulver minimeras för att optimera sintringsaktiviteten, medan fina utgångspartikelstorlekar bibehålls för att blockera extra syreförorening.

Konventionella sintringstillsatser förSi3N4är en annan viktig källa till gittersyre. Dessa tillsatser bildar intergranulära sekundära faser med termisk konduktivitet i allmänhet under 1 W/(m·K) i vätskefasen, vilket försämrar huvuddelens termiska konduktivitet hos Si3N4. Befintlig forskning bekräftar att användningen av sintringstillsatser av sällsynt jordartsmetall minskar syreinnehållet i gittret när jonradien för sällsynta jordartsmetaller minskar. Lågtemperatursintring föredras för att sänka produktionskostnaderna för Si₃N₄-keramiska substrat samtidigt som full förtätning och önskvärd kornstorlek säkerställs.

Vidare, måttlig tillsats av reducerande kolpulver undertrycker sekundärfasbildning och förbättrar gitterrenheten; för mycket fritt kol bör undvikas för att uppnå förhöjd värmeledningsförmåga.

2 Kristallstruktur av kiselnitrid

Kiselnitrid är en starkt kovalent förening med en molekylvikt på 140,68. Dess två vanliga polymorfer, α‑Si₃N4 och β‑Si₃N4, tillhör båda det hexagonala kristallsystemet. Med tanke på att Si₃N4-keramer vanligen sintras över 1800 °C, utgör β‑Si₃N4 den dominerande kristallina fasen i kommersiellt tillgängliga Si₃N4-komponenter.

(1) Drivkraft för β‑Si₃N₄-korntillväxt

Återstående otransformerad α‑Si₃N₄ som finns kvar under α‑till‑β fasövergången medför en uttalad negativ påverkan på värmeledningsförmågan. Följaktligen är fullständig fastransformation från α‑Si₃N4 till β‑Si₃N4 väsentlig för att underlätta kärnbildning och korntillväxt av β‑Si₃N4 för förbättrad värmeledningsförmåga.

(2) Morfologi hos odlade β‑Si₃N4-korn

Värmeledningsförmågan ökar markant med ökande β‑Si₃N4-kornstorlek, och förlängd glödgningstid förbättrar värmeöverföringsförmågan ytterligare. Men när korn växer utöver en kritisk dimension, ger ytterligare kornförgrovning en försumbar förbättring av den termiska prestandan.

3 Relativ densitet

Relativ densitet utövar ett framträdande inflytande på Si3N4 värmeledningsförmåga. Högre porositet leder till tydlig värmeledningsförmåga. I allmänhet har Si₃N₄-keramer med hög värmeledningsförmåga förhöjd bulkdensitet och termisk diffusivitet, och oxider av sällsynta jordartsmetaller underlättar tillverkningen av helt tät kiselnitrid. Vätskefassintring är obligatoriskt för att åstadkomma förtätning av kiselnitridkeramer och den slutliga densiteten av Si₃N₄ varierar under olika sintringsparametrar och bearbetningsmetoder. Av denna anledning är valet av lämpliga sintringstekniker avgörande för tillverkning av Si₃N4-keramer med hög värmeledningsförmåga.

Semicorex erbjuder hög kvalitetsilicon nitrid plattasför termiska oxidationsprocesser. Om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakta telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com