Razões para a lacuna entre a condutividade térmica prática e teórica da cerâmica de nitreto de silício

O nitreto de silício (Si₃N₄) é um material cerâmico estrutural com condutividade térmica intrínseca em torno de 320 W/(m·K), apresentando alta condutividade térmica e excelentes propriedades mecânicas. Graças à sua estabilidade superior à temperatura ambiente, o Si₃N₄ tornou-se um material de embalagem de substrato cerâmico amplamente adotado na moderna indústria de semicondutores. No entanto, existe uma discrepância notável entre a condutividade térmica prática do Si₃N4 e o seu valor teórico. Este artigo explora os principais fatores responsáveis ​​por tal divergência.

1 rede de oxigênio

A condução de calor em Si₃N₄ é predominantemente governada pela transmissão de fônons. Imperfeições da rede, incluindo lacunas, falhas de empilhamento e impurezas intergranulares intensificam o espalhamento de fônons e degradam a condutividade térmica do nitreto de silício.

O oxigênio da rede serve como um fator decisivo que altera a condutividade térmica do Si₃N₄. Depois que os átomos de oxigênio penetram na rede do Si₃N₄, formam-se vagas de silício, encurtando drasticamente o caminho livre médio do fônon e reduzindo a condutividade térmica consequentemente. Para aumentar o desempenho térmico do Si₃N₄, o teor de oxigênio nos pós brutos deve ser minimizado para otimizar a atividade de sinterização, enquanto os tamanhos finos de partículas iniciais são retidos para bloquear a contaminação extra por oxigênio.

Aditivos de sinterização convencionais paraSi₃N₄são outra importante fonte de oxigênio na rede. Esses aditivos formam fases secundárias intergranulares com condutividade térmica geralmente abaixo de 1 W/(m·K) dentro da fase líquida, o que prejudica a condutividade térmica global do Si₃N₄. A pesquisa existente confirma que a adoção de aditivos de sinterização de óxidos de terras raras reduz o teor de oxigênio na rede à medida que o raio iônico dos elementos de terras raras diminui. A sinterização em baixa temperatura é preferida para reduzir os custos de produção de substratos cerâmicos de Si₃N₄, garantindo ao mesmo tempo a densificação total e o tamanho de grão desejável.

Além disso, a adição moderada de pó de carbono redutor suprime a formação de fase secundária e melhora a pureza da rede; carbono livre excessivo deve ser evitado para alcançar condutividade térmica elevada.

2 Estrutura Cristalina do Nitreto de Silício

O nitreto de silício é um composto fortemente covalente com peso molecular de 140,68. Seus dois polimorfos predominantes, α‑Si₃N₄ e β‑Si₃N₄, pertencem ao sistema cristalino hexagonal. Dado que as cerâmicas de Si₃N₄ são comumente sinterizadas acima de 1800 °C, β-Si₃N₄ constitui a fase cristalina dominante em componentes de Si₃N₄ comercialmente disponíveis.

(1) Força motriz para o crescimento de grãos β‑Si₃N₄

O α-Si₃N₄ residual não transformado que permanece durante a transição de fase α-para-β impõe um impacto negativo pronunciado na condutividade térmica. Portanto, a transformação completa de fase de α‑Si₃N₄ para β‑Si₃N₄ é essencial para facilitar a nucleação e o crescimento de grãos de β‑Si₃N₄ para melhorar a condutividade térmica.

(2) Morfologia de grãos β‑Si₃N₄ cultivados

A condutividade térmica aumenta acentuadamente com o aumento do tamanho do grão β‑Si₃N₄, e a duração prolongada do recozimento melhora ainda mais a capacidade de transferência de calor. No entanto, uma vez que os grãos crescem além de uma dimensão crítica, o espessamento adicional dos grãos traz uma melhoria insignificante no desempenho térmico.

3 Densidade Relativa

A densidade relativa exerce uma influência proeminente na condutividade térmica do Si₃N₄. Maior porosidade leva a evidente degradação da condutividade térmica. Em geral, as cerâmicas Si₃N₄ de alta condutividade térmica possuem elevada densidade aparente e difusividade térmica, e os óxidos de terras raras facilitam a fabricação de nitreto de silício totalmente denso. A sinterização em fase líquida é obrigatória para realizar a densificação da cerâmica de nitreto de silício e a densidade final do Si₃N₄varia sob diferentes parâmetros de sinterização e métodos de processamento. Por esta razão, a seleção de técnicas de sinterização apropriadas é crítica para a fabricação de cerâmicas de Si₃N₄ de alta condutividade térmica.

Semicorex oferece alta qualidadesplaca de nitreto de iliconspara processos de oxidação térmica. Se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

Telefone de contato # +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com