Al explorar materiales de sustrato de nitruro de silicio (Si3N4) como núcleo de una solución de gestión térmica de alto rendimiento, nuestra comprensión de sus mecanismos de transferencia de calor es fundamental. Se sabe que el principal mecanismo de transferencia de calor del nitruro de silicio depende de la vibración de la red, un proceso que transfiere calor a través de portadores de carga calientes cuantificados llamados fonones.
La propagación de fonones en la red no es un simple movimiento lineal, sino que se ve afectada por el complejo acoplamiento entre la red, lo que resulta en frecuentes colisiones entre fonones, lo que reduce significativamente el camino libre medio de los fonones, es decir, la media Distancia que los fonones pueden recorrer libremente entre dos colisiones. Este mecanismo afecta directamente la conductividad térmica de los materiales de nitruro de silicio.
Además, diversos defectos, impurezas e interfaces de grano en los cristales de Si3N4 se convierten en las principales fuentes de dispersión de fonones. Estos eventos de dispersión también conducen a una disminución en el camino libre medio de los fonones, lo que a su vez reduce la conductividad térmica general del material. En particular, el oxígeno reticular, como uno de los principales defectos que afectan la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio, dificulta significativamente la propagación suave de los fonones y reduce la eficiencia de la conductividad térmica del material.
Para superar este desafío y mejorar la conductividad térmica del sustrato de nitruro de silicio, comenzamos en la fuente y nos concentramos en reducir el contenido de oxígeno en la red. Las estrategias específicas incluyen:
Optimizar el polvo de materia prima
La clave es elegir polvo de Si con bajo contenido de oxígeno como material de partida. El contenido de impurezas de oxígeno en la materia prima inicial se reduce mediante un riguroso proceso de pretratamiento y selección de la materia prima. Posteriormente, se utiliza un proceso de sinterización nitrurada de dos pasos, en el que primero se calienta el polvo de Si en una atmósfera de nitrógeno hasta acercarse a su punto de fusión (1414°C), de modo que reaccione con el nitrógeno para formar un cuerpo sinterizado poroso de Si3N4. Este proceso asegura una nitruración adecuada de Si mientras controla el contenido de oxígeno en el nitruro de silicio recién generado. Luego, se sinterizó aún más Si3N4 poroso a alta temperatura para promover el crecimiento del grano y el cierre de los poros, y finalmente se formó el sustrato cerámico de Si3N4 con alta densidad, bajo contenido de oxígeno y alta conductividad térmica.
Sinterización directa de polvo de α-Si3N4 de alta pureza
Otra forma es utilizar polvo de α-Si3N4 de alta pureza con muy bajo contenido de oxígeno para la sinterización. Este método evita el proceso de conversión de Si a Si3N4 y utiliza directamente polvos de α-Si3N4 con alta pureza y estructura cristalina específica para la sinterización, lo que reduce la posibilidad de introducción de impurezas de oxígeno. Controlando con precisión los parámetros de sinterización como la temperatura, la atmósfera y la presión, se pueden obtener sustratos de nitruro de silicio con alta densidad, pocos defectos y una excelente conductividad térmica.
Aplicación de sinterización de β-Si3N4
Aunque el β-Si3N4 puede diferir del α-Si3N4 en algunas propiedades físicas, su bajo contenido de oxígeno y su alta pureza también son adecuados para la preparación de sustratos de nitruro de silicio de alto rendimiento. El uso de polvo de β-Si3N4 para sinterización también puede preparar materiales de nitruro de silicio de alta conductividad térmica, especialmente en escenarios de aplicación específicos, algunas características del β-Si3N4 pueden ser más ventajosas.
En resumen, el material de sustrato de nitruro de silicio (Si3N4) es un componente clave de una solución de gestión térmica de alto rendimiento, y la optimización de su conductividad térmica es crucial para mejorar la eficiencia general de la gestión térmica. Al comprender en profundidad el mecanismo de transferencia de calor del nitruro de silicio, es decir, la vibración de la red y el proceso de conducción de fonones, nos damos cuenta de que la dispersión de fonones es uno de los factores clave que afectan la conductividad térmica. En particular, los defectos de oxígeno en la red, que actúan como principal fuente de dispersión, reducen significativamente el camino libre medio de los fonones, dificultando así la conducción eficaz del calor.
Para superar este desafío, proponemos una variedad de estrategias para reducir el contenido de oxígeno en el sustrato de nitruro de silicio, mejorando así su conductividad térmica. Desde la selección óptima del polvo de materia prima hasta la sinterización directa de polvo de α-Si3N4 de alta pureza y la aplicación de sinterización de β-Si3N4, cada método tiene como objetivo reducir la introducción de impurezas de oxígeno en la fuente y lograr una alta densidad y baja estado de defecto del material a través de un control fino del proceso.
La investigación futura se centrará aún más en explorar procesos de preparación de nitruro de silicio más eficientes y comprender mejor el mecanismo por el cual las diferentes estructuras cristalinas y microestructuras afectan la conductividad térmica del nitruro de silicio. A través de estos esfuerzos, se espera que desarrollemos materiales de sustrato de nitruro de silicio con mayor conductividad térmica y menor resistencia térmica, brindando un fuerte apoyo para la gestión térmica de alto rendimiento en embalajes electrónicos, aeroespacial, conversión de energía y otros campos.
