Por que há uma demanda crescente por cerâmica SiC de alta condutividade térmica na indústria de semicondutores?

Atualmente,carboneto de silício (SiC)é uma área de pesquisa altamente ativa em materiais cerâmicos termocondutores, tanto nacional quanto internacionalmente. Com uma condutividade térmica teórica que pode atingir até 270 W/mK para certos tipos de cristal,SiCestá entre os melhores desempenhos em materiais não condutores. Suas aplicações abrangem substratos de dispositivos semicondutores, materiais cerâmicos de alta condutividade térmica, aquecedores e placas quentes no processamento de semicondutores, materiais de cápsulas para combustível nuclear e vedações herméticas em bombas de compressores.

Como estáCarboneto de SilícioAplicado na indústria de semicondutores?

Placas e acessórios de moagem são equipamentos de processo essenciais na produção de pastilhas de silício na indústria de semicondutores. Se as placas de retificação forem feitas de ferro fundido ou aço carbono, elas tendem a ter uma vida útil curta e um alto coeficiente de expansão térmica. Durante o processamento das pastilhas de silício, especialmente durante a retificação ou polimento em alta velocidade, o desgaste e a deformação térmica dessas placas de retificação tornam difícil manter o nivelamento e o paralelismo das pastilhas de silício. No entanto, as placas de retificação feitas de cerâmica de carboneto de silício apresentam alta dureza e baixo desgaste, com um coeficiente de expansão térmica que se aproxima do das pastilhas de silício, permitindo retificação e polimento em alta velocidade.

Além disso, durante a produção de pastilhas de silício, é necessário tratamento térmico em alta temperatura, muitas vezes utilizando acessórios de carboneto de silício para transporte. Esses acessórios são resistentes ao calor e aos danos e podem ser revestidos com carbono tipo diamante (DLC) para melhorar o desempenho, mitigar danos aos wafers e evitar a difusão de contaminação. Além disso, como representante dos materiais semicondutores de banda larga de terceira geração, os monocristais de carboneto de silício possuem propriedades como banda larga (aproximadamente três vezes maior que a do silício), alta condutividade térmica (cerca de 3,3 vezes maior que a do silício ou 10 vezes maior que a do silício). de GaAs), alta velocidade de saturação de elétrons (cerca de 2,5 vezes a do silício) e um alto campo elétrico de ruptura (aproximadamente 10 vezes maior que o do silício ou cinco vezes maior que o do GaAs). Dispositivos de carboneto de silício compensam as deficiências dos dispositivos tradicionais de materiais semicondutores em aplicações práticas e estão gradualmente se tornando comuns em semicondutores de potência.

Por que há demanda por alta condutividade térmicaCerâmica SiCSurgindo?

Com o contínuo avanço tecnológico, a demanda porcerâmica de carboneto de silíciona indústria de semicondutores está aumentando rapidamente. A alta condutividade térmica é um indicador crítico para sua aplicação em componentes de equipamentos de fabricação de semicondutores, tornando a pesquisa em alta condutividade térmicaCerâmica SiCcrucial. A redução do conteúdo de oxigênio na rede, o aumento da densidade e o controle racional da distribuição da segunda fase na rede são métodos primários para aumentar a condutividade térmica docerâmica de carboneto de silício.

Atualmente, pesquisas sobre alta condutividade térmicaCerâmica SiCna China é limitado e fica significativamente aquém dos padrões globais. As direções de pesquisa futura incluem:

Fortalecendo a pesquisa do processo de preparação deCerâmica SiCpós, já que a preparação de pó de SiC de alta pureza e baixo teor de oxigênio é fundamental para alcançar alta condutividade térmicaCerâmica SiC.

Aprimorar a seleção e pesquisa teórica de auxiliares de sinterização.

O desenvolvimento de equipamentos de sinterização de alta qualidade, pois regular o processo de sinterização para obter uma microestrutura razoável é essencial para a aquisição de alta condutividade térmicaCerâmica SiC.

Quais medidas podem melhorar a condutividade térmica deCerâmica SiC?

A chave para melhorar a condutividade térmica doCerâmica SiCé reduzir a frequência de espalhamento de fônons e aumentar o caminho livre médio dos fônons. Isto pode ser efetivamente alcançado reduzindo a porosidade e a densidade do contorno do grão doCerâmica SiC, aumentando a pureza dos limites dos grãos do SiC, minimizando impurezas ou defeitos na rede do SiC e aumentando os transportadores de transporte térmico no SiC. Atualmente, a otimização do tipo e do conteúdo dos auxiliares de sinterização e o tratamento térmico em alta temperatura são medidas primárias para aumentar a condutividade térmica dosCerâmica SiC.

Otimizando o tipo e o conteúdo dos auxiliares de sinterização

Vários auxiliares de sinterização são frequentemente adicionados durante a preparação de produtos de alta condutividade térmica.Cerâmica SiC. O tipo e o conteúdo destes auxiliares de sinterização afetam significativamente a condutividade térmica doCerâmica SiC. Por exemplo, elementos como Al ou O nos auxiliares de sinterização do sistema Al2O3 podem facilmente dissolver-se na rede de SiC, criando vagas e defeitos, aumentando assim a frequência de dispersão de fônons. Além disso, se o teor de auxiliar de sinterização for demasiado baixo, o material pode não densificar durante a sinterização, enquanto um teor elevado de auxiliar de sinterização pode levar ao aumento de impurezas e defeitos. Auxiliares excessivos de sinterização em fase líquida também podem inibir o crescimento do grão de SiC, reduzindo o caminho livre médio do fônon. Portanto, para alcançar alta condutividade térmicaCerâmica SiC, é necessário minimizar o teor de auxiliares de sinterização, garantindo ao mesmo tempo a densificação, e selecionar auxiliares de sinterização que não sejam facilmente solúveis na rede de SiC.

Atualmente, prensado a quenteCerâmica SiCusando BeO como auxiliar de sinterização exibem a maior condutividade térmica à temperatura ambiente (270 W·m-1·K-1). No entanto, o BeO é altamente tóxico e cancerígeno, tornando-o inadequado para uso generalizado em laboratórios ou na indústria. O sistema Y2O3-Al2O3 tem um ponto eutético em 1760°C e é um auxiliar de sinterização em fase líquida comum paraCerâmica SiC, mas como o Al3+ se dissolve facilmente na rede do SiC,Cerâmica SiCcom este sistema como auxiliar de sinterização apresentam condutividades térmicas à temperatura ambiente inferiores a 200 W·m-1·K-1.

Elementos de terras raras como Y, Sm, Sc, Gd e La não são facilmente solúveis na rede do SiC e têm alta afinidade pelo oxigênio, reduzindo efetivamente o conteúdo de oxigênio na rede do SiC. Portanto, o sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) é comumente usado como auxiliar de sinterização para preparar alta condutividade térmica (>200 W·m-1·K-1)Cerâmica SiC. Por exemplo, no sistema Y2O3-Sc2O3, o desvio iônico entre Y3+ e Si4+ é significativo, evitando a formação de soluções sólidas. A solubilidade do Sc em SiC puro é relativamente baixa em temperaturas de 1800~2600°C, aproximadamente (2~3)×10^17 átomos·cm^-3.

As propriedades térmicas da cerâmica SiC com diferentes auxiliares de sinterização

Tratamento térmico de alta temperatura

Tratamento térmico de alta temperatura deCerâmica SiCajuda a eliminar defeitos de rede, deslocamentos e tensões residuais, promovendo a transformação de algumas estruturas amorfas em estruturas cristalinas e reduzindo o espalhamento de fônons. Além disso, o tratamento térmico em alta temperatura promove efetivamente o crescimento dos grãos de SiC, melhorando, em última análise, as propriedades térmicas do material. Por exemplo, após tratamento térmico a alta temperatura a 1950°C, a difusividade térmica doCerâmica SiCaumentou de 83,03 mm2·s-1 para 89,50 mm2·s-1, e a condutividade térmica à temperatura ambiente aumentou de 180,94 W·m-1·K-1 para 192,17 W·m-1·K-1. O tratamento térmico de alta temperatura melhora significativamente a capacidade de desoxidação dos auxiliares de sinterização na superfície e na estrutura do SiC e aperta as conexões dos grãos de SiC. Consequentemente, a condutividade térmica à temperatura ambiente deCerâmica SiCé notavelmente melhorado após tratamento térmico em alta temperatura.**

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