У полях напівпровідникових пристроїв, нових енергетичних транспортних засобів та аерокосмічних, кремнієвих нітридів (Si₃n₄) керамічні субстрати стали "зірковим гравцем" у пакувальних матеріалах наступного покоління завдяки високій міцності, високотемпературній опорі та відмінній термічній провідності. Однак теплопровідність цього матеріалу не розподілена рівномірно; Він виявляє значні відмінності в різних напрямках, відомих як "анізотропія". Ця характеристика є і перевагою, і викликом у практичних додатках. Ця стаття проаналізує суть анізотропної теплопровідності кераміки нітриду кремнію з перспектив кристалічної структури, механізмів фононного транспорту та процесів виготовлення та вивчить її застосування в промислових умовах.
1. Фізичне походження анізотропної теплопровідності в кераміці кремнію нітриду
Теплопровідність кераміки нітриду кремнію тісно пов'язана з їх кристалічною структурою. Нітрид кремнію існує у двох первинних кристалічних фазах: α-фаза та β-фаза. Серед них β-si₃n₄, з його більшою симетрією та стабільнішою структурою, є основним компонентом високої кераміки теплопровідності. Одиниця клітини β-Si₃n₄ має шестикутну структуру, де атоми кремнію (СІ) та азоту (N) з'єднані сильними ковалентними зв’язками, утворюючи шаруватого розташування. Ця структура призводить до значних відмінностей у швидкості поширення фононів (кванта коливань решітки) в різних напрямках. Теоретичні розрахунки показують, що теоретична теплопровідність монокристалів β-si₃n₄ вздовж осі С (перпендикулярна до атомних шарів) може досягати до 450 Вт/(м · к), а вздовж осі (паралельно атомним шарам), це лише 170 Вт/(М · К). Ця різниця виникає внаслідок ефективності розсіювання фононів у різних кристалографічних напрямках: вздовж осі С, атомна композиція є щільнішою, що забезпечує більш безперервний транспортний шлях фонона з меншим вірогідним розсіюванням; Тоді як вздовж вісь А, слабкі взаємодії між атомними шарами призводять до більш високого розсіювання фононів у межах зерна або дефектів.
Однак теплопровідність фактичної полікристалічної нітриду кремнію нітриду значно нижча, ніж теоретичні значення. Наприклад, комерційні субстрати зазвичай виявляють теплову провідність 80–120 Вт/(м · к), тоді як зразки, оптимізовані лабораторією, можуть досягти до 177 Вт/(м · к). Цей зазор в основному викликаний мікроструктурними дефектами полікристалічних матеріалів, включаючи граничні фази зерна, пори, домішки (такі як кисень та алюміній) та невпорядковані зернові розташування.
2. Орієнтація зерна для підвищеної теплопровідності
Для повного використання потенціалу теплопровідності β-si₃n₄ вчені намагалися контролювати мікроструктуру полікристалічної кераміки за допомогою методів орієнтації зерна. Основна ідея полягає в тому, щоб вирівняти зерна β-Si₃n₄, схожі на стрижні, вздовж осі С, тим самим досягаючи високої теплопровідності в певному напрямку в макроскопічному масштабі.
2.1 Формування магнітного поля
β-Si₃n₄ зерна виявляють магнітну анізотропію, тобто їх магнітна сприйнятливість змінюється по різних кристалографічних осях. Використовуючи цю властивість, під час процесів лиття або ковзання, як правило, 10–12 т) може застосовуватися сильне магнітне поле (як правило, 10–12 т), щоб змусити зерна обертатися та вирівнятись уздовж напрямку магнітного поля. Експерименти показують, що зразки, приготовані з вирівнюванням магнітного поля, можуть досягти теплопровідності 155 Вт/(м · к) вздовж осі С, тоді як перпендикулярний напрямок досягає лише 52 Вт/(м · к). Ця різниця безпосередньо відображає анізотропну природу матеріалу.
2.2 Зростання, спричинене насінням
Інша стратегія передбачає додавання насіння β-si₃n₄. Ці насіння діють як шаблони, керуючи зростанням нових зерен на конкретних напрямках під час спікання. Наприклад, додавання 0,5 мас.% Насіння β-Si₃n₄ може підвищити теплопровідність з 77 Вт/(м · к) до 106 Вт/(м · к). Однак введення насіння може ускладнити процес спікання, що вимагає високих температур (1900 ° C) та високого тиску (10 МПа азот) для досягнення ущільнення.
Незважаючи на прориви в лабораторних умовах, масштабне виробництво стикається з проблемами. Висока вартість обладнання магнітного поля та складність насіннєвих процесів обмежують їх промислове застосування.
3. Оптимізація продуктивності в практичних додатках
Анізотропна теплопровідність кераміки нітриду кремнію є і перевагою, і завданням дизайну. Наприклад, у напівпровідникових модулях субстрати потребують високої теплопровідності у вертикальному напрямку (від мікросхеми до теплової раковини) для ефективного розсіювання тепла, при цьому одночасно потребує коефіцієнта теплового розширення в горизонтальному напрямку, який відповідає матеріалу мікросхем (наприклад, SIC), щоб уникнути термічного розтріскування напруги. Це протиріччя змушує інженерів шукати баланс у дизайні та обробці матеріалів.
3.1 Контроль граничної фази зерна
Додавання СНІДу для спікання (наприклад, y₂o₃-mgo) сприяє ущільненню, але утворює прикордонні фази зерна з низькою термопровідністю (наприклад, оксинітриди кремнію). Дослідження показують, що оптимізація складання допомоги спікання (наприклад, використання MGSIN₂ замість MGO) може зменшити вміст граничної фази зерна до нижче 5%, тим самим підвищуючи теплопровідність.
3.2 Контроль домішок кисню
Решітковий кисень є головним джерелом розсіювання фононів. Сировина з високою чистотою (вміст кисню <1 мас.%) Та відновна атмосфера спікання (наприклад, змішаний газ азоген-водного водного водного водного водного водного водного водного водного моменту може ефективно знижувати кисневі домішки, збільшуючи теплопровідність приблизно на 20%.
4. Майбутні вказівки щодо підвищення теплопровідності
Майбутні напрямки досліджень для подальшого вдосконалення теплопровідності кераміки нітриду кремнію включають:
Дизайн наноструктури: Представляючи розміри градієнтних зернових або неоднорідних інтерфейсів, можна оптимізувати транспортні доріжки фононових транспорту.
Розробка композитної кераміки: поєднання з матеріалами з високою термальною провідністю (наприклад, графен), щоб порушити межі продуктивності однофазної кераміки.
Точно контролювати анізотропну теплопровідність кераміки нітриду кремнію є як основним завданням у матеріалознавстві, так і ключовим проривом для промислових застосувань. Від конструкції кристалічної структури атомного рівня до макроскопічного контролю орієнтації зерна, очікується, що кераміка нітриду кремнію наближається до їх теоретичної теплопровідності вздовж осі С, прокладаючи шлях до більш широких застосувань у електроніці з високою потужністю, 5G комунікацій, електричних транспортних засобів та далі.
