Bij het onderzoeken van siliciumnitride (Si3N4) substraat materialen als kern van een hoogwaardige oplossing voor thermisch beheer, is ons begrip van hun warmteoverdrachtsmechanismen van cruciaal belang. Het is bekend dat het belangrijkste warmteoverdrachtsmechanisme van siliciumnitride berust op roostervibratie, een proces dat warmte overdraagt via gekwantiseerde hete ladingsdragers die fononen worden genoemd.
De voortplanting van fononen in het rooster is geen eenvoudige lineaire beweging, maar wordt beïnvloed door de complexe koppeling tussen het rooster, wat resulteert in frequente botsingen tussen fononen, wat het gemiddelde vrije pad van fononen aanzienlijk verkleint, dat wil zeggen het gemiddelde afstand die fononen vrij kunnen afleggen tussen twee botsingen. Dit mechanisme heeft een directe invloed op de thermische geleidbaarheid van siliciumnitridematerialen.
Bovendien worden verschillende defecten, onzuiverheden en korrelgrensvlakken in Si3N4-kristallen de belangrijkste bronnen van fononverstrooiing. Deze verstrooiingsgebeurtenissen leiden ook tot een afname van het gemiddelde vrije pad van fononen, wat op zijn beurt de algehele thermische geleidbaarheid van het materiaal vermindert. In het bijzonder belemmert roosterzuurstof, als een van de belangrijkste defecten die de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek beïnvloeden, de soepele voortplanting van fononen aanzienlijk en vermindert de thermische geleidbaarheidsefficiëntie van het materiaal.
Om deze uitdaging te overwinnen en de thermische geleidbaarheid van het siliciumnitridesubstraat te verbeteren, begonnen we bij de bron en concentreerden we ons op het verminderen van het zuurstofgehalte in het rooster. Specifieke strategieën zijn onder meer:
Optimaliseer grondstofpoeder
Het kiezen van Si-poeder met een laag zuurstofgehalte als uitgangsmateriaal is de sleutel. Het gehalte aan zuurstofonzuiverheden in de oorspronkelijke grondstof wordt verminderd door middel van een rigoureus screening- en voorbehandelingsproces van grondstoffen. Vervolgens wordt een tweestaps genitreerd sinterproces gebruikt, waarbij Si-poeder eerst in een stikstofatmosfeer wordt verwarmd tot dichtbij het smeltpunt (1414â), zodat het reageert met stikstof om een poreus Si3N4-sinterlichaam te vormen. Dit proces zorgt voor een adequate nitrering van Si terwijl het zuurstofgehalte in het nieuw gegenereerde siliciumnitride wordt gecontroleerd. Vervolgens werd het poreuze Si3N4 verder gesinterd bij hoge temperatuur om de korrelgroei en het sluiten van de poriën te bevorderen, en uiteindelijk werd het keramische Si3N4-substraat met hoge dichtheid, laag zuurstofgehalte en hoge thermische geleidbaarheid gevormd.
Direct sinteren van zeer zuiver a-Si3N4-poeder
Een andere manier is om voor het sinteren zeer zuiver α-Si3N4-poeder met een zeer laag zuurstofgehalte te gebruiken. Deze methode vermijdt het conversieproces van Si naar Si3N4 en maakt direct gebruik van α-Si3N4-poeders met een hoge zuiverheid en specifieke kristalstructuur voor het sinteren, waardoor de mogelijkheid van introductie van zuurstofonzuiverheden wordt verkleind. Door de sinterparameters zoals temperatuur, atmosfeer en druk nauwkeurig te controleren, kunnen siliciumnitridesubstraten met hoge dichtheid, weinig defecten en uitstekende thermische geleidbaarheid worden verkregen.
Sintertoepassing van β-Si3N4
Hoewel β-Si3N4 in sommige fysische eigenschappen kan verschillen van α-Si3N4, zijn het lage zuurstofgehalte en de hoge zuiverheid ervan ook geschikt voor de bereiding van hoogwaardige siliciumnitridesubstraten. Het gebruik van β-Si3N4-poeder voor sinteren kan ook siliciumnitridematerialen met een hoge thermische geleidbaarheid bereiden, vooral in specifieke toepassingsscenario's kunnen sommige kenmerken van β-Si3N4 voordeliger zijn.
Samenvattend is het siliciumnitride (Si3N4) substraatmateriaal een sleutelcomponent van een hoogwaardige oplossing voor thermisch beheer, en de optimalisatie van de thermische geleidbaarheid ervan is cruciaal om de algehele efficiëntie van het thermische beheer te verbeteren. Door een diepgaand begrip van het warmteoverdrachtsmechanisme van siliciumnitride, namelijk roostertrilling en fonongeleidingsproces, realiseren we ons dat fononverstrooiing een van de sleutelfactoren is die de thermische geleidbaarheid beïnvloeden. Met name zuurstofdefecten in het rooster, die als de belangrijkste verstrooiingsbron fungeren, verminderen het gemiddelde vrije pad van fononen aanzienlijk, waardoor de effectieve warmtegeleiding wordt belemmerd.
Om deze uitdaging te overwinnen, stellen we een verscheidenheid aan strategieën voor om het zuurstofgehalte in het siliciumnitridesubstraat te verminderen, waardoor de thermische geleidbaarheid ervan wordt verbeterd. Van de optimale selectie van grondstofpoeder tot het directe sinteren van zeer zuiver α-Si3N4-poeder, tot de sintertoepassing van β-Si3N4: elke methode heeft tot doel de introductie van zuurstofonzuiverheden bij de bron te verminderen en een hoge dichtheid en lage dichtheid te bereiken. defectstatus van het materiaal door middel van fijne procescontrole.
Toekomstig onderzoek zal zich verder richten op het onderzoeken van efficiëntere bereidingsprocessen van siliciumnitride en het verder begrijpen van het mechanisme waarmee verschillende kristalstructuren en microstructuren de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride beïnvloeden. Door deze inspanningen wordt van ons verwacht dat we siliciumnitride-substraatmaterialen ontwikkelen met een hogere thermische geleidbaarheid en een lagere thermische weerstand, die krachtige ondersteuning bieden voor hoogwaardig thermisch beheer in elektronische verpakkingen, lucht- en ruimtevaart, energieconversie en andere gebieden.
