Debido a que las cerámicas de nitruro de silicio son compuestos de enlaces covalentes fuertes, la transferencia de calor solo se puede completar mediante la vibración de la red, afectada por factores como la densidad, la composición de fases, la microestructura y el oxígeno de la red, la conductividad térmica real de las cerámicas de nitruro de silicio suele ser mucho menor que la teórica. valor, que es actualmente el mayor cuello de botella que limita la aplicación de sustratos de nitruro de silicio .
Composición de densidad y fases.
Generalmente, debido a que la reducción de poros en la cerámica puede hacer que la microestructura sea más compacta, la ruta de conducción de los fonones en el material es más continua, reduciendo así la dispersión de los fonones. Por lo tanto, aumentar la densidad de las cerámicas de nitruro de silicio tanto como sea posible es un requisito previo para obtener cerámicas de nitruro de silicio de alta conductividad térmica.
Las cerámicas de nitruro de silicio también tienen una mayor influencia en la conductividad térmica, el nitruro de silicio tiene dos fases cristalinas α y β, debido a la baja simetría estructural de α-Si3N4, su celda tiene más cavidades, puede acomodar más iones de impurezas, el efecto de dispersión de los fonones son más fuertes. Además, el contenido de oxígeno de α-Si3N4 es mucho mayor que el de β-Si3N4, y las impurezas de oxígeno producirán reacciones en solución sólida para generar vacantes de silicio y también provocarán dispersión de fonones, lo que conducirá a la reducción de la conductividad térmica. En el proceso de sinterización en fase líquida, la fase α se transforma gradualmente en fase β. Con el aumento del contenido de fase β en relación con el contenido de fase α, la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio aumenta gradualmente.
Micromorfología
El tamaño del grano, el espesor de la película límite del grano y el contenido de fase vítrea tienen efectos importantes sobre la conductividad térmica del nitruro de silicio. Durante la sinterización en fase líquida de cerámicas de nitruro de silicio, la fase líquida del compuesto de óxido de nitrógeno formado por la reacción de los aditivos y SiO2 en la superficie a alta temperatura favorece la densificación de las cerámicas. Después del enfriamiento, la fase líquida permanecerá en la cerámica de nitruro de silicio y la conductividad térmica es muy baja. Parte de la fase vítrea formada existe en forma de película límite de grano, con un espesor de aproximadamente 1 a 2 nm; Otra parte del exceso de fase vítrea forma una envoltura de vidrio en la unión de los largos granos de varilla de β-Si3N4. Cuanto mayor sea el contenido de fase límite de grano con baja conductividad térmica, menor será la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio.
Además, el aumento del tamaño de grano favorece la mejora de la conductividad térmica, pero cuando el tamaño de grano alcanza el valor crítico, el aumento del tamaño de grano no tiene ningún efecto evidente sobre la mejora de la conductividad térmica del nitruro de silicio. Por lo tanto, solo mediante la sinterización a alta temperatura y la preservación del calor a largo plazo para promover el crecimiento anormal del grano de nitruro de silicio no se puede continuar mejorando la conductividad térmica, es necesario explorar otras formas más efectivas.
Contenido de oxígeno de la red
En diferentes sistemas de sinterización, la conductividad térmica del nitruro de silicio está correlacionada negativamente con el contenido de oxígeno de su red. Durante mucho tiempo, los investigadores se han centrado en reducir el contenido de oxígeno de la red de una solución sólida de nitruro de silicio para mejorar la conductividad térmica del nitruro de silicio. Al aumentar la temperatura de sinterización y extender el tiempo de mantenimiento a alta temperatura, el nitruro de silicio se puede disolver completamente y precipitar en la fase líquida con menor viscosidad, lo que reduce los defectos de la red y aumenta el tamaño del grano, lo que desempeña un papel importante en la mejora de la conductividad térmica del nitruro de silicio. , pero el alto costo resultante no favorece la popularización y aplicación de sustratos de nitruro de silicio de alta conductividad térmica.
Por lo tanto, la composición de la fase líquida se puede ajustar seleccionando un polvo con alta pureza y bajo contenido de oxígeno, e introduciendo aditivos de sinterización sin óxido, etc. La fase líquida con bajo contenido de oxígeno puede dificultar la formación de oxígeno reticular en β- Si3N4, mejorando así significativamente la conductividad térmica. En la actualidad, en el contexto del polvo de nitruro de silicio con bajo contenido de oxígeno en la red, no se ha logrado un avance significativo, es una forma económica y efectiva de usar no óxidos en lugar de los correspondientes aditivos de sinterización de óxido y regular el contenido de oxígeno en la red ajustando la composición de la fase líquida para mejorar. La conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio.
