Hoe u de thermische geleidbaarheid van siliciumnitridesubstraat effectief kunt verbeteren

Jul 31 , 2024

 

Momenteel heeft de komst van de derde generatie halfgeleiders, vertegenwoordigd door SiC en GaN, ertoe geleid dat de voedingsmodule zich heeft ontwikkeld in de richting van miniaturisatie, hoge spanning, hoge stroom en hoge vermogensdichtheid, die tijdens gebruik meer warmte zullen genereren, wat naar voren brengt strenge eisen aan het warmteafvoerpakket van het apparaat. In de nieuwe generatie hoogvermogenmodules speelt keramisch substraat  voornamelijk de rol van chipondersteuning, elektrische isolatie en thermisch geleidbaarheidskanaal, en siliciumnitride-keramiek is een substraatmateriaal voor warmtedissipatie geworden met een groot toepassingspotentieel vanwege de voordelen van hoge thermische eigenschappen. geleidbaarheid en hoge mechanische eigenschappen.

 siliciumnitridesubstraten

Het verkrijgen van hoogwaardig siliciumnitridesubstraat  met zowel mechanische eigenschappen als thermische geleidbaarheid is een van de meest zorgwekkende kwesties in de hedendaagse industrie. Vanwege de lage diffusiecoëfficiënt van Si- en N-atomen in een keramisch substraat van siliciumnitride moeten fasetransformatie, korrelontwikkeling en verdichting worden bereikt door sinteren in de vloeibare fase. Daarom is het een effectieve manier om de mechanische en thermische eigenschappen van siliciumnitride-keramiek te verbeteren door de vloeibare fase en micromorfologie in het sinterproces aan te passen met geschikte sinteradditieven.

 

Soorten niet-oxide sinterhulpmiddelen

 

Fluoride

In silicaatoplossingen kunnen fluoratomen de structuur van het silicaatnetwerk vernietigen en laten ontleden, wat de temperatuur en viscositeit van de vorming van de vloeibare fase zal verlagen en de sinterverdichting zal bevorderen. Het gebruik van MgF2 in plaats van MgO als sintermiddel kan bijvoorbeeld een vloeibare fase vormen bij een lagere temperatuur, de verdichting van keramiek versnellen en de korrelgrootte vergroten met de toename van MgF2-toevoeging, wat de thermische geleidbaarheid van keramiek effectief kan verbeteren. siliciumnitride keramiek. Daarnaast zijn er LiF, zeldzame aardfluoride, binaire fluoride enzovoort.

De verplaatsingstemperatuurcurve van Si3N4-keramiek werd opgesteld door MgF2 en MgO als sinteradditieven te gebruiken

De verplaatsingstemperatuurcurve van Si3N4-keramiek werd opgesteld door MgF2 en MgO als sinteradditieven te gebruiken

 

Fluoride-sinteradditieven vermijden de introductie van extra zuurstofatomen in het systeem, verminderen de activiteit van SiO2 in de vloeibare fase en belemmeren de vorming van roosterzuurstof tijdens het oplossingsprecipitatieproces. Tegelijkertijd vermindert fluoratoomenergie de viscositeit van de vloeibare fase, helpt het de vloeibare fase bij lage temperatuur te vormen, bevordert het de ontwikkeling van grote β-Si3N4-korrels en heeft het bereide siliciumnitride-keramiek een laag roosterzuurstofgehalte en een laag roosterzuurstofgehalte. thermische geleidbaarheid interkristallijne fase-inhoud en hoge thermische geleidbaarheid van de keramiek. Overmatige vervluchtiging van SiF4 zal echter de porositeit van keramiek vergroten en de mechanische eigenschappen en thermische geleidbaarheid verminderen, dus het is noodzakelijk om de juiste hoeveelheid toevoeging te controleren.

 

Nitriden en stikstofhoudende verbindingen

Metal nitride has good compatibility with silicon nitride ceramics, and is often used as a sintering assistant to prepare silicon nitride ceramic materials, which can enhance the thermal conductivity of silicon nitride ceramics and strengthen its mechanical properties. MgSiN2, as a potential high thermal conductivity ceramic, has attracted much attention as a sintering aid for silicon nitride ceramics in recent years. At high temperature, SiO2 on the surface of MgSiN2 and Si3N4 powder will form Mg-Si-O-N liquid phase and promote densification. In addition, a portion of Si and N atoms are separated out in the form of Si3N4 to optimize grain boundaries. In recent years, by using MgSiN2 instead of MgO, researchers have prepared silicon nitride ceramics with high thermal conductivity and excellent mechanical properties at lower sintering temperature and shorter holding time. Li Jiangtao's team from the Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences prepared MgSiN2 in batches through self-propagating sintering, laying a material foundation for the large-scale application of MgSiN2. It is expected to be used as an efficient sintering aid for silicon nitride ceramics with high thermal conductivity.

De siliciumnitride-keramiek met een laag zuurstofgehalte in het rooster en een hoge thermische geleidbaarheid werd bereid met behulp van MgSiN2 als sinterassistent

The silicon nitride ceramics with low lattice oxygen content and high thermal conductivity were prepared by using MgSiN2 as sintering assistant

 

 

In addition, some researchers used solid phase reaction to synthesize a new non-oxide sintering agent Y2Si4N6C to replace Y2O3 as a sintering agent, which not only has low lattice oxygen content, but also weakened the scattering of phonons by intergranular phase and grain boundary film, which can greatly improve the thermal conductivity of silicon nitride ceramic substrate. However, the preparation process of Y2Si4N6C is complex, and it cannot be synthesized in large quantities for the time being, which limits its application.

 

Borides

The densified Si3N4 ceramics with LaB6 as the sintering agent do not introduce additional oxygen into the system, and can remove lattice oxygen through the dissolution precipitation process, improve the thermal conductivity of β-Si3N4 grains, and at the same time, the content of low thermal conductivity intercrystalline phases is less, the grain size is larger, and the phonon scattering between grains is weakened. This is because during the sintering process, B atoms enter the glass network, and the formed [BO3]- structural unit will replace the [SiO4]- structural unit in the original network, destroying the integrity of the glass network, reducing the liquid phase viscosity, and thus promoting low temperature sintering.

 

Silicides

It has been found that iron silicide (FeSix) has a certain regulatory effect on the phase transition and grain growth of silicon nitride ceramics. For example, FeSi2 can generate β-Si3N4 phase before the α-Si3N4 phase transition, providing nucleation and growth points for the later α-Si3N4 phase transition. It is helpful to regulate the phase transition and grain growth process in the sintering of silicon nitride ceramics. ZrSi2 can react with SiO2 on the surface of silicon nitride powder to produce ZrO2 and β-Si3N4 crystal seeds. In situ ZrO2 and MgO assistant form a low temperature eutectic liquid phase, which promotes ceramic densification and β-Si3N4 grain development through dissolution precipitation mechanism. Due to the consumption of SiO2 by ZrSi2, the oxygen content in the liquid phase is reduced, thereby impeding the generation of lattice oxygen dynamically and reducing lattice defects. In addition, Zr elements in the sintered body are precipitated in the form of ZrN (or ZrO2) phase, and there is no obvious amorphous grain boundary film between Si3N4 grains, which reduces the scattering of phonons at the grain boundaries. Thanks to the above three factors, the thermal conductivity of Si3N4 has been greatly improved. However, the difficulty of both thermal conductivity and mechanical properties limits the application of ZrSi2 as a sintering aid for high-conductivity silicon nitride ceramics.

 

Schematisch diagram van het verdichtingsmechanisme van siliciumnitride-keramiek dat het ZrSi2-MgO-additief bevat

Schematic diagram of densification mechanism of silicon nitride ceramics containing ZrSi2-MgO additive

 

Hydrides and Metal Particles

Metal hydride is a commonly used oxygen consumption agent in powder metallurgy industry, which is decomposed into metal elements and H2 at high temperatures, H2 can remove the oxide layer on the surface of metal particles, and the highly active metal elements generated by decomposition play the role of absorbing impurity oxygen in the metal matrix, which can effectively improve the performance of metal products. Rare earth hydrides such as YH2 can reduce the activity of SiO2 in the liquid phase and facilitate the removal of lattice oxygen during dissolution precipitation. In addition, the "nitrogen-rich" liquid phase formed by the addition of YH2 is also conducive to the nucleation and development of β-Si3N4, and the grain size is significantly larger than that of Y2O3 additive system. However, excessive hydride makes the liquid viscosity too high, inhibits the densification process, and the fully developed β-Si3N4 grains cross to form a porous skeleton, which can not prepare high density silicon nitride ceramics. Therefore, it is still necessary to determine the optimal amount of rare earth hydride according to the oxygen content of α-Si3N4 raw material powder.

 

Ternary Layered Compound

The fracture toughness can be improved by introducing layered compounds into silicon nitride ceramic matrix through crack deflection, bridge and other mechanisms. In recent years, researchers have investigated the effect of layered compounds on the thermal conductivity of silicon nitride ceramics, and found that layered compounds can effectively improve the mechanical thermal properties of ceramics. YB2C2 can react with SiO2 on the surface of silicon nitride powder to reduce the liquid phase oxygen content and promote densification. The remaining YB2C2 layer improves the bending strength and fracture toughness of the ceramics through crack deflection mechanism.

 

Carbon, Silicon Sintering Additives

Carbon is widely used to remove oxygen impurities from ores because of its strong reducibility. In the study of silicon nitride, a small amount of carbon can promote α→β phase transition in silicon nitride sintering. Carbon thermal reduction deoxygenation can adjust the composition and properties of the liquid phase, and then regulate the relative rate of phase transition and densification, so that the silicon nitride ceramics with good morphology can be obtained without adding β-Si3N4 seed.

(a, c) Microstructuur van monster na nitreren zonder toevoeging en (b, d) Microstructuur van monster na nitreren met begraven poeder dat C bevat (a, b) en microstructuur van siliciumnitride na lucht

(a, c) Sample microstructure after nitriding without addition and (b, d) sample microstructure

after nitriding with buried powder containing C (a, b) and microstructure of silicon nitride after air

 

 

It is worth noting that the introduction of C needs to be controlled precisely in the sintering system of silicon nitride ceramics, the addition amount is too small, and the control effect of liquid phase is not good. Excessive addition will lead to residual SiC in the sample, which will adversely affect the density and electrical properties of silicon nitride ceramics. The results show that Si can also remove the surface oxide layer by silicothermal reduction reaction with SiO2. Unlike toner, which requires precise control of the amount of addition, excess Si is nitrided to Si3N4 in a nitrogen atmosphere, without the formation of harmful by-products.

 

The research of optimizing raw material powder of silicon nitride by carbothermal reduction and silicothermal reduction, and improving the performance of silicon nitride ceramics by means of liquid phase regulation provides a solution for the preparation of high thermal conductivity silicon nitride ceramics by using low-cost silicon nitride powders with high oxygen content.

 

Tegen de achtergrond dat siliciumnitridepoeders met een laag roosterzuurstofgehalte nog geen doorbraak hebben bereikt, is het een economische en effectieve manier om de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek te verbeteren door niet-oxiden te gebruiken in plaats van overeenkomstige oxide-sinteradditieven en de vloeistof aan te passen fase samenstelling. Met de voortdurende optimalisatie van siliciumnitride-grondstofpoeder, de voortdurende ontwikkeling van nieuwe multifunctionele sinteradditieven en de voortdurende verbetering van vorm- en sinterprocessen is de grootschalige productie van zeer sterke en hoogthermische Si3N4-substraten een nieuwe uitdaging geworden. realiteit, die een sterke steun zal zijn voor de ontwikkeling van vermogenshalfgeleiderapparaten.

Categorieën

Veelgestelde vragen

Hoewel onze primaire focus ligt op geavanceerde keramische materialen zoals aluminiumoxide, zirkoniumoxide, siliciumcarbide, siliciumnitride, aluminiumnitride en kwartskeramiek, onderzoeken we altijd nieuwe materialen en technologieën. Als u een specifieke materiaalbehoefte heeft, neem dan contact met ons op. Wij zullen ons best doen om aan uw behoeften te voldoen of geschikte partners te vinden.

Absoluut. Ons technisch team beschikt over diepgaande kennis van keramische materialen en uitgebreide ervaring in productontwerp. Wij geven u graag materiaalkeuzeadvies en productontwerpondersteuning om optimale prestaties van uw producten te garanderen.

Wij hanteren geen vaste minimale bestelwaarde. We richten ons altijd op het voldoen aan de behoeften van onze klanten en streven ernaar om hoogwaardige service en producten te leveren, ongeacht de ordergrootte.

Naast keramische producten bieden wij ook een reeks aanvullende diensten aan, waaronder maar niet beperkt tot: op maat gemaakte keramische verwerkingsdiensten op basis van uw behoeften, waarbij gebruik wordt gemaakt van door u zelf geproduceerde plano's of halfafgewerkte plano's; Als u geïnteresseerd bent in uitbestede keramische verpakkings- en metallisatiediensten, neem dan contact met ons op voor verdere discussie. We streven er altijd naar om u een totaaloplossing te bieden die aan uw verschillende behoeften voldoet.

Ja, dat doen we. Waar ter wereld u zich ook bevindt, wij kunnen de veilige en tijdige levering van uw bestelling garanderen.

Stuur uw aanvraag

Uploaden
* File ONLY PDF/JPG./PNG. Available.
Submit Now

Neem contact met ons op

Neem contact met ons op
Vul dan onderstaand formulier zo goed mogelijk in. En maak je geen zorgen over de details.
Indienen
Looking for Video?
Neem contact met ons op #
19311583352

Kantooruren

  • Maandag tot en met vrijdag: 9:00 - 12:00 uur, 14:00 - 17:30 uur

Houd er rekening mee dat onze kantooruren gebaseerd zijn op Beijing Time, wat acht uur voorloopt op Greenwich Mean Time (GMT). Wij stellen uw begrip en medewerking bij het dienovereenkomstig plannen van uw vragen en vergaderingen op prijs. Voor dringende zaken of vragen buiten onze reguliere openingstijden kunt u contact met ons opnemen via e-mail. Wij nemen dan zo snel mogelijk contact met u op. Bedankt voor uw zaken en we kijken ernaar uit u van dienst te zijn.

Thuis

Producten

whatsApp

contact