In geavanceerde technologieën zoals hoogwaardige elektronische verpakkingen, ruimtevaart en energieconversie staan siliciumnitride (Si3N4) substraat materialen hoog aangeschreven vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen, chemische stabiliteit en hoge temperatuurbestendigheid. De thermische geleidbaarheid van siliciumnitride, als een van de belangrijkste factoren die de brede toepassing ervan beïnvloeden, is echter altijd de focus en moeilijkheid geweest van materiaalwetenschappelijk onderzoek. Dit artikel heeft tot doel de belangrijkste warmteoverdrachtsmechanismen van siliciumnitridesubstraten, namelijk roostervibratie en fonongeleiding, diepgaand te onderzoeken en systematisch de invloed van de selectie- en optimalisatiestrategie van sinteradditieven op de thermische geleidbaarheid van siliciumnitridesubstraat te analyseren. theoretische basis en praktische begeleiding voor het verbeteren van de thermische beheersefficiëntie van siliciumnitridesubstraten.
Een dieper inzicht in de mechanismen van warmteoverdracht
Het belangrijkste warmteoverdrachtsmechanisme van siliciumnitride, namelijk roostervibratie en fonongeleiding, is een complex en fijn proces. De niet-lineaire voortplanting en botsing van fononen in het rooster worden niet alleen beperkt door de interroosterkoppeling, maar worden ook diep beïnvloed door de interne microstructuurkenmerken van materialen. In het bijzonder bestaan er veel defecten (zoals vacatures, dislocaties), onzuiverheidsatomen en korrelgrensvlakken in Si3N4-kristallen, die, als centrum van fononverstrooiing, het gemiddelde vrije pad van fononen aanzienlijk verminderen en zo het belangrijkste knelpunt worden dat de verbetering beperkt. van de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride. Roosterzuurstof, een van de belangrijkste defecttypen, vergroot niet alleen de kans op fononverstrooiing, maar veroorzaakt ook roostervervorming, wat de efficiëntie van de warmtegeleiding verder verzwakt.
Optimalisatiestrategie van sinteradditieven
Met het oog op de sterke covalente binding van siliciumnitride en de moeilijkheid van compact sinteren door diffusie in de vaste fase, zijn de keuze en toepassing van sinteradditieven bijzonder belangrijk. Traditioneel worden oxiden zoals MgO, Al2O3, CaO en zeldzame aardoxides op grote schaal gebruikt als sinteradditieven, die het sinteren in de vloeibare fase bevorderen door eutectische smelten met een laag smeltpunt te vormen, waardoor de dichtheid van siliciumnitride toeneemt. Deze oxide-sinteradditieven zorgen echter tegelijkertijd voor verdichting, maar introduceren ook een nieuw probleem: hun eigen lage thermische geleidbaarheid en kunnen korrelgrensfaseveranderingen veroorzaken (zoals de vorming van vaste SiAlON-oplossing), hebben een negatief effect op de algehele thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek.
Om dit probleem te overwinnen, begonnen wetenschappers de toepassing van niet-oxide-sinteradditieven te onderzoeken. Niet-oxiden, zoals MgSiN2 en zeldzame aardfluoride, vertonen unieke voordelen. Ze kunnen niet alleen de secundaire fase en het zuurstofgehalte in het rooster van siliciumnitride verminderen, maar ook de reductie van de korrelgrensfase en de reductie van SiO2 bevorderen door middel van specifieke chemische reacties (zoals zeldzame aardfluoride dat reageert met SiO2 om vluchtig SiF4 te produceren), dus om het zuurstofgehalte in het rooster effectief te verminderen en de thermische geleidbaarheid te verbeteren. De commerciële toepassing van niet-oxide-sinteradditieven staat echter nog steeds voor uitdagingen, en hun hoge kosten en aanbodbeperkingen beperken de toepassing ervan in productie op grote schaal.
Alomvattende strategie: oxide + niet-oxide sinteradditieven
In het licht van de bovenstaande analyse is een mogelijke oplossing het gebruik van een "oxide + niet-oxide" samengesteld sinterhulpsysteem. Deze strategie heeft tot doel de voordelen van twee soorten sinteradditieven te combineren: oxideadditieven zorgen voor de noodzakelijke sinteromgeving in de vloeibare fase om de verdichting van het materiaal te garanderen; De niet-oxide-additieven verminderen het zuurstofgehalte in het rooster verder en verhogen de thermische geleidbaarheid door hun unieke chemische eigenschappen. Door een zorgvuldig ontworpen formuleringssysteem is het mogelijk om een nauwkeurige controle van het sinterproces en de prestaties van het eindproduct te bereiken, om zo de thermische geleidbaarheid van het siliciumnitridesubstraat te maximaliseren en tegelijkertijd de productie-efficiëntie te garanderen.
Samenvattend is de optimalisatie van de thermische geleidbaarheid van siliciumnitridesubstraatmateriaal een complex proces waarbij meerdere factoren en lagen betrokken zijn. Door het microscopische mechanisme van roostervibratie en fonongeleiding diepgaand te begrijpen, en door het selectie- en formuleringssysteem van sinteradditieven nauwkeurig te reguleren, kunnen we effectief het knelpunt overwinnen waarmee siliciumnitridematerialen worden geconfronteerd bij het verbeteren van de thermische geleidbaarheid. In de toekomst, met de voortdurende verdieping van materiaalwetenschappelijk onderzoek en de voortdurende vooruitgang van de technologie, hebben we reden om te geloven dat siliciumnitridesubstraatmaterialen hun unieke charme en brede toepassingsmogelijkheden op meer gebieden zullen tonen. Tegelijkertijd zal dit ook technologische innovatie en industriële modernisering op aanverwante gebieden bevorderen, en bijdragen aan de duurzame ontwikkeling van de menselijke samenleving.
