Поскольку керамика из нитрида кремния представляет собой соединения с прочными ковалентными связями, передача тепла может осуществляться только за счет вибрации решетки, на которую влияют такие факторы, как плотность, фазовый состав, микроструктура и кислород решетки, фактическая теплопроводность керамики из нитрида кремния обычно намного ниже теоретической. Это значение в настоящее время является самым большим узким местом, ограничивающим применение подложек из нитрида кремния .
Плотность и фазовый состав
Как правило, поскольку уменьшение пор в керамике может сделать микроструктуру более компактной, путь проводимости фононов в материале становится более непрерывным, что уменьшает рассеяние фононов. Поэтому максимально возможное увеличение плотности нитридкремниевой керамики является необходимым условием получения нитридкремниевой керамики с высокой теплопроводностью.
Керамика из нитрида кремния также оказывает большее влияние на теплопроводность, нитрид кремния имеет две кристаллические фазы α и β, из-за низкой структурной симметрии α-Si3N4 его ячейка имеет больше полостей, может вмещать больше ионов примесей, эффект рассеяния фононы сильнее. Кроме того, содержание кислорода в α-Si3N4 намного выше, чем в β-Si3N4, а примеси кислорода будут вызывать реакции твердого раствора с генерацией кремниевых вакансий, а также вызывать рассеяние фононов, что приведет к снижению теплопроводности. В процессе жидкофазного спекания α-фаза постепенно превращается в β-фазу. С увеличением содержания β-фазы по сравнению с содержанием α-фазы теплопроводность керамики из нитрида кремния постепенно увеличивается.
Микроморфология
Размер зерна, толщина зернограничной пленки и содержание стеклофазы оказывают важное влияние на теплопроводность нитрида кремния. При жидкофазном спекании керамики из нитрида кремния жидкая фаза соединения оксида азота, образующаяся в результате реакции добавок и SiO2 на поверхности при высокой температуре, способствует уплотнению керамики. После охлаждения в керамике нитрида кремния останется жидкая фаза, а теплопроводность очень низкая. Часть образовавшейся стеклофазы существует в виде зернограничной пленки толщиной около 1~2 нм; Другая часть избыточной стеклофазы образует стеклянную оболочку на стыке длинных стержневых зерен β-Si3N4. Чем выше содержание зернограничной фазы с низкой теплопроводностью, тем ниже теплопроводность керамики из нитрида кремния.
Кроме того, увеличение размера зерна способствует улучшению теплопроводности, но когда размер зерна достигает критического значения, увеличение размера зерна не оказывает очевидного влияния на улучшение теплопроводности нитрида кремния. Таким образом, только посредством высокотемпературного спекания и длительного сохранения тепла, чтобы способствовать аномальному росту зерен нитрида кремния, невозможно продолжать улучшать теплопроводность, необходимо изучить другие, более эффективные способы.
Содержание кислорода в решетке
В различных системах спекания теплопроводность нитрида кремния отрицательно коррелирует с содержанием в его решетке кислорода. В течение долгого времени исследователи фокусировались на снижении содержания кислорода в решетке твердого раствора в нитриде кремния для улучшения теплопроводности нитрида кремния. Повышая температуру спекания и увеличивая время выдержки при высокой температуре, нитрид кремния можно полностью растворить и выделить в жидкой фазе с более низкой вязкостью, уменьшая дефекты решетки и увеличивая размер зерна, что играет важную роль в улучшении теплопроводности нитрида кремния. , но возникающая в результате высокая стоимость не способствует популяризации и применению подложек из нитрида кремния с высокой теплопроводностью.
Поэтому состав жидкой фазы можно корректировать, подбирая порошок высокой чистоты и с низким содержанием кислорода, вводя неоксидные спекающие добавки и т. д. Жидкая фаза с низким содержанием кислорода может препятствовать образованию решеточного кислорода в β-. Si3N4, что значительно улучшает теплопроводность. В настоящее время, на фоне низкого содержания кислорода в решетке, порошок нитрида кремния не добился значительного прорыва, это экономичный и эффективный способ использовать неоксиды вместо соответствующих оксидных спекающих добавок и регулировать содержание кислорода в решетке путем регулирования состава жидкой фазы для улучшения Теплопроводность керамики из нитрида кремния.
