При изучении материалов подложки из нитрида кремния (Si3N4) в качестве основы высокоэффективного решения по управлению температурным режимом наше понимание механизмов их теплопередачи имеет решающее значение. Известно, что основной механизм теплопередачи нитрида кремния основан на вибрации решетки, процессе, который передает тепло через квантованные горячие носители заряда, называемые фононами.
Распространение фононов в решетке не является простым линейным движением, на него влияет сложная связь между решеткой, приводящая к частым столкновениям между фононами, что значительно уменьшает длину свободного пробега фононов, то есть среднее значение расстояние, которое фононы могут свободно пройти между двумя столкновениями. Этот механизм напрямую влияет на теплопроводность материалов из нитрида кремния.
Кроме того, основными источниками рассеяния фононов становятся различные дефекты, примеси и границы раздела зерен в кристаллах Si3N4. Эти события рассеяния также приводят к уменьшению длины свободного пробега фононов, что, в свою очередь, снижает общую теплопроводность материала. В частности, решеточный кислород, как один из основных дефектов, влияющих на теплопроводность нитридкремниевой керамики, существенно затрудняет плавное распространение фононов и снижает эффективность теплопроводности материала.
Чтобы преодолеть эту проблему и улучшить теплопроводность подложки из нитрида кремния, мы начали с источника и сосредоточились на снижении содержания кислорода в решетке. Конкретные стратегии включают:
Оптимизация порошкового сырья
Ключевым моментом является выбор порошка Si с низким содержанием кислорода в качестве исходного материала. Содержание примесей кислорода в исходном сырье снижается за счет тщательного отбора сырья и процесса предварительной обработки. Впоследствии используется двухэтапный процесс азотированного спекания, при котором порошок Si сначала нагревается в атмосфере азота до температуры, близкой к его температуре плавления (1414°С), так что он реагирует с азотом с образованием пористого спеченного тела Si3N4. Этот процесс обеспечивает адекватное азотирование Si при одновременном контроле содержания кислорода в вновь полученном нитриде кремния. Затем пористый Si3N4 подвергался дальнейшему спеканию при высокой температуре, чтобы способствовать росту зерен и закрытию пор, и, наконец, была сформирована керамическая подложка Si3N4 с высокой плотностью, низким содержанием кислорода и высокой теплопроводностью.
Прямое спекание порошка α-Si3N4 высокой чистоты
Другой способ — использовать для спекания порошок α-Si3N4 высокой чистоты с очень низким содержанием кислорода. Этот метод позволяет избежать процесса преобразования Si в Si3N4 и напрямую использует для спекания порошки α-Si3N4 с высокой чистотой и специфической кристаллической структурой, что снижает возможность введения примесей кислорода. Путем точного контроля параметров спекания, таких как температура, атмосфера и давление, можно получить подложки из нитрида кремния с высокой плотностью, небольшим количеством дефектов и превосходной теплопроводностью.
Применение спекания β-Si3N4
Хотя β-Si3N4 может отличаться от α-Si3N4 по некоторым физическим свойствам, его низкое содержание кислорода и высокая чистота также подходят для приготовления высокоэффективных подложек из нитрида кремния. Использование порошка β-Si3N4 для спекания также позволяет получить материалы из нитрида кремния с высокой теплопроводностью, особенно в конкретных сценариях применения, некоторые характеристики β-Si3N4 могут быть более выгодными.
Таким образом, материал подложки из нитрида кремния (Si3N4) является ключевым компонентом высокопроизводительного решения по терморегулированию, а оптимизация его теплопроводности имеет решающее значение для повышения общей эффективности терморегулирования. Глубоко понимая механизм теплопередачи нитрида кремния, а именно колебания решетки и процесс фононной проводимости, мы понимаем, что рассеяние фононов является одним из ключевых факторов, влияющих на теплопроводность. В частности, кислородные дефекты в решетке, выступающие в качестве основного источника рассеяния, существенно уменьшают длину свободного пробега фононов, тем самым затрудняя эффективную проводимость тепла.
Чтобы преодолеть эту проблему, мы предлагаем различные стратегии по снижению содержания кислорода в подложке из нитрида кремния, тем самым улучшая ее теплопроводность. От оптимального выбора порошкового сырья до прямого спекания порошка α-Si3N4 высокой чистоты и применения спекания β-Si3N4 — каждый метод направлен на уменьшение введения примесей кислорода в источнике и достижение высокой плотности и низкого статус дефекта материала посредством точного контроля процесса.
Будущие исследования будут направлены на изучение более эффективных процессов получения нитрида кремния и дальнейшее понимание механизма, с помощью которого различные кристаллические структуры и микроструктуры влияют на теплопроводность нитрида кремния. Ожидается, что благодаря этим усилиям мы разработаем подложки из нитрида кремния с более высокой теплопроводностью и более низким термическим сопротивлением, что обеспечит надежную поддержку высокоэффективного управления температурным режимом в электронной упаковке, аэрокосмической отрасли, преобразовании энергии и других областях.
