En tecnologías de vanguardia, como embalaje electrónico de alto rendimiento, aeroespacial y conversión de energía, los materiales sustrato de nitruro de silicio (Si3N4) son muy apreciados por sus excelentes propiedades mecánicas, estabilidad química y resistencia a altas temperaturas. Sin embargo, la conductividad térmica del nitruro de silicio, como uno de los factores clave que afectan su amplia aplicación, siempre ha sido el foco y la dificultad de la investigación en ciencia de materiales. Este artículo tiene como objetivo explorar en profundidad los principales mecanismos de transferencia de calor del sustrato de nitruro de silicio, a saber, la vibración reticular y la conducción de fonones, y analizar sistemáticamente la influencia de la estrategia de selección y optimización de los aditivos de sinterización en la conductividad térmica del sustrato de nitruro de silicio, con el fin de proporcionar Bases teóricas y orientación práctica para mejorar la eficiencia de la gestión térmica del sustrato de nitruro de silicio.
Una comprensión más profunda de los mecanismos de transferencia de calor
El principal mecanismo de transferencia de calor del nitruro de silicio, a saber, la vibración reticular y la conducción de fonones, es un proceso complejo y fino. La propagación no lineal y la colisión de fonones en la red no solo están limitadas por el acoplamiento entre redes, sino que también se ven profundamente afectadas por las características de la microestructura interna de los materiales. En particular, en los cristales de Si3N4 existen muchos defectos (como vacantes, dislocaciones), átomos de impurezas e interfaces de granos que, como centro de dispersión de fonones, reducen significativamente el camino libre medio de los fonones y, por lo tanto, se convierten en el principal cuello de botella que limita la mejora. de conductividad térmica del nitruro de silicio. El oxígeno reticular, como uno de los tipos de defectos más importantes, no solo aumenta la probabilidad de dispersión de fonones, sino que también causa distorsión reticular, lo que debilita aún más la eficiencia de la conducción de calor.
Estrategia de optimización de aditivos de sinterización
En vista del fuerte enlace covalente del nitruro de silicio y la dificultad de una sinterización compacta mediante difusión en fase sólida, la selección y aplicación de aditivos de sinterización son particularmente importantes. Tradicionalmente, óxidos como MgO, Al2O3, CaO y óxidos de tierras raras se utilizan ampliamente como aditivos de sinterización, que promueven la sinterización en fase líquida formando masas fundidas eutécticas de bajo punto de fusión, aumentando así la densidad del nitruro de silicio. Sin embargo, estos aditivos de sinterización de óxido aportan al mismo tiempo densificación, pero también introducen un nuevo problema: su propia baja conductividad térmica y pueden provocar cambios de fase en los límites de grano (como la formación de una solución sólida de SiAlON), tienen un efecto adverso en el conjunto. Conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio.
Para superar este problema, los científicos comenzaron a explorar la aplicación de aditivos de sinterización sin óxido. Los no óxidos, como el MgSiN2 y el fluoruro de tierras raras, presentan ventajas únicas. No solo pueden reducir el contenido de oxígeno de la fase secundaria y de la red del nitruro de silicio, sino que también promueven la reducción de la fase límite del grano y la reducción de SiO2 a través de reacciones químicas específicas (como la reacción del fluoruro de tierras raras con SiO2 para producir SiF4 volátil), por lo que para reducir eficazmente el contenido de oxígeno de la red y mejorar la conductividad térmica. Sin embargo, la aplicación comercial de aditivos de sinterización sin óxido aún enfrenta desafíos, y su alto costo y limitaciones de suministro limitan su aplicación en la producción a gran escala.
Estrategia integral: aditivos de sinterización de óxidos y no óxidos
En vista del análisis anterior, una posible solución es adoptar un sistema auxiliar de sinterización compuesto de "óxido + no óxido". Esta estrategia tiene como objetivo combinar las ventajas de dos tipos de aditivos de sinterización: los aditivos de óxido proporcionan el entorno de sinterización en fase líquida necesario para asegurar la densificación del material; Los aditivos sin óxido reducen aún más el contenido de oxígeno de la red y aumentan la conductividad térmica a través de sus propiedades químicas únicas. A través de un sistema de formulación cuidadosamente diseñado, es posible lograr un control preciso del proceso de sinterización y el rendimiento del producto final, para maximizar la conductividad térmica del sustrato de nitruro de silicio y al mismo tiempo garantizar la eficiencia de producción.
En resumen, la optimización de la conductividad térmica del material de sustrato de nitruro de silicio es un proceso complejo que involucra múltiples factores y capas. Al comprender profundamente el mecanismo microscópico de la vibración de la red y la conducción de fonones, así como al regular con precisión el sistema de selección y formulación de aditivos de sinterización, podemos superar de manera efectiva el cuello de botella que enfrentan los materiales de nitruro de silicio para mejorar la conductividad térmica. En el futuro, con la continua profundización de la investigación en ciencia de materiales y el continuo progreso de la tecnología, tenemos razones para creer que los materiales de sustrato de nitruro de silicio mostrarán su encanto único y sus amplias perspectivas de aplicación en más campos. Al mismo tiempo, esto también promoverá la innovación tecnológica y la modernización industrial en campos relacionados y contribuirá al desarrollo sostenible de la sociedad humana.
