Omdat siliciumnitride-keramiek sterke covalente bindingsverbindingen zijn, kan de warmteoverdracht alleen worden voltooid door roostervibratie, beïnvloed door factoren zoals dichtheid, fasesamenstelling, microstructuur en roosterzuurstof. De werkelijke thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek is meestal veel lager dan de theoretische. waarde, wat momenteel het grootste knelpunt is dat de toepassing van siliciumnitridesubstraten beperkt .
Dichtheid en fasesamenstelling
Omdat de verkleining van de poriën in keramiek de microstructuur compacter kan maken, is in het algemeen het geleidingspad van fononen in het materiaal continuer, waardoor de verstrooiing van fononen wordt verminderd. Daarom is het zoveel mogelijk verhogen van de dichtheid van siliciumnitride-keramiek een voorwaarde voor het verkrijgen van siliciumnitride-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid.
Siliciumnitride-keramiek heeft ook een grotere invloed op de thermische geleidbaarheid, siliciumnitride heeft α en β twee kristalfasen, vanwege de lage structurele symmetrie van α-Si3N4, de cel heeft meer holtes, kan meer onzuiverheidionen huisvesten, het verstrooiende effect van fononen zijn sterker. Bovendien is het zuurstofgehalte van α-Si3N4 veel hoger dan dat van β-Si3N4, en zullen zuurstofonzuiverheden reacties in vaste oplossingen veroorzaken om siliciumvacatures te genereren, en ook fononverstrooiing veroorzaken, wat zal leiden tot een vermindering van de thermische geleidbaarheid. Bij het sinterproces in de vloeibare fase wordt de α-fase geleidelijk omgezet in de β-fase. Met de toename van het β-fasegehalte ten opzichte van het α-fasegehalte wordt de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek geleidelijk verhoogd.
Micromorfologie
De korrelgrootte, de korrelgrensfilmdikte en het glasfasegehalte hebben belangrijke effecten op de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride. Tijdens het sinteren in de vloeibare fase van siliciumnitride-keramiek is de vloeibare fase van de stikstofoxideverbinding, gevormd door de reactie van de additieven en Si02 op het oppervlak bij hoge temperatuur, bevorderlijk voor de verdichting van de keramiek. Na afkoeling blijft de vloeibare fase in de keramiek van siliciumnitride achter en is de thermische geleidbaarheid zeer laag. Een deel van de gevormde glasfase bestaat in de vorm van een korrelgrensfilm, met een dikte van ongeveer 1-2 nm; Een ander deel van de overtollige glasfase vormt een glazen omhulsel op de kruising van de lange staafkorrels van β-Si3N4. Hoe hoger het korrelgrensfasegehalte met een lage thermische geleidbaarheid, hoe lager de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek.
Bovendien is de toename van de korrelgrootte bevorderlijk voor de verbetering van de thermische geleidbaarheid, maar wanneer de korrelgrootte de kritische waarde bereikt, heeft de toename van de korrelgrootte geen duidelijk effect op de verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride. Daarom is het noodzakelijk om andere, effectievere manieren te onderzoeken om de abnormale korrelgroei van siliciumnitride te bevorderen door sinteren op hoge temperatuur en langdurig hittebehoud om de abnormale korrelgroei van siliciumnitride te bevorderen.
Roosterzuurstofgehalte
In verschillende sintersystemen is de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride negatief gecorreleerd met het zuurstofgehalte in het rooster. Onderzoekers hebben zich lange tijd geconcentreerd op het verminderen van het roosterzuurstofgehalte van vaste oplossingen in siliciumnitride om de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride te verbeteren. Door de sintertemperatuur te verhogen en de houdtijd bij hoge temperaturen te verlengen, kan siliciumnitride volledig worden opgelost en neergeslagen in de vloeibare fase met een lagere viscositeit, waardoor roosterdefecten worden verminderd en de korrelgrootte toeneemt, wat een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride , maar de resulterende hoge kosten zijn niet bevorderlijk voor de popularisering en toepassing van siliciumnitridesubstraten met hoge thermische geleidbaarheid.
Daarom kan de samenstelling van de vloeibare fase worden aangepast door een poeder te selecteren met een hoge zuiverheid en een laag zuurstofgehalte, en niet-oxide sinteradditieven te introduceren, enz. De vloeibare fase met een laag zuurstofgehalte kan de vorming van roosterzuurstof in β- belemmeren. Si3N4, waardoor de thermische geleidbaarheid aanzienlijk wordt verbeterd. Op dit moment heeft siliciumnitridepoeder, tegen de achtergrond van een laag zuurstofgehalte in het rooster, geen significante doorbraak bereikt. Het is een economische en effectieve manier om niet-oxiden te gebruiken in plaats van overeenkomstige oxide-sinteradditieven en het zuurstofgehalte van het rooster te reguleren door de samenstelling van de vloeibare fase aan te passen om te verbeteren de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek.
