Yüksek performanslı elektronik paketleme, havacılık ve enerji dönüşümü gibi ileri teknolojilerde, silikon nitrür (Si3N4) alt tabaka materyalleri, mükemmel mekanik özellikleri, kimyasal stabiliteleri ve yüksek sıcaklık dirençleri nedeniyle son derece kabul görmektedir. Bununla birlikte, geniş uygulamasını etkileyen temel faktörlerden biri olan silikon nitrürün termal iletkenliği, her zaman malzeme bilimi araştırmalarının odak noktası ve zorluğu olmuştur. Bu makale, silikon nitrür substratının ana ısı transfer mekanizmalarını, yani kafes titreşimi ve fonon iletimini derinlemesine araştırmayı ve sinterleme katkı maddelerinin seçimi ve optimizasyon stratejisinin silikon nitrür substratının termal iletkenliği üzerindeki etkisini sistematik olarak analiz etmeyi amaçlamaktadır. Silikon nitrür substratının termal yönetim verimliliğini artırmaya yönelik teorik temel ve pratik rehberlik.
Isı aktarım mekanizmalarına ilişkin daha derin bir anlayış
Silisyum nitrürün ana ısı transfer mekanizması, yani kafes titreşimi ve fonon iletimi, karmaşık ve ince bir süreçtir. Kafesteki fononların doğrusal olmayan yayılımı ve çarpışması yalnızca kafesler arası bağlantıyla sınırlı değildir, aynı zamanda malzemelerin iç mikroyapı özelliklerinden de derinden etkilenir. Özellikle, Si3N4 kristallerinde birçok kusur (boşluklar, dislokasyonlar gibi), safsızlık atomları ve tane arayüzleri mevcuttur; bunlar, fonon saçılımının merkezi olarak, fononların ortalama serbest yolunu önemli ölçüde azaltır ve dolayısıyla iyileştirmeyi sınırlayan ana darboğaz haline gelir. silikon nitrür termal iletkenliği. En önemli kusur türlerinden biri olan kafes oksijeni, sadece fonon saçılımı olasılığını arttırmakla kalmaz, aynı zamanda kafes distorsiyonuna da neden olur ve bu da ısı iletim verimliliğini daha da zayıflatır.
Sinterleme katkı maddelerinin optimizasyon stratejisi
Silisyum nitrürün güçlü kovalent bağı ve katı faz difüzyonu yoluyla kompakt sinterlemenin zorluğu göz önüne alındığında, sinterleme katkı maddelerinin seçimi ve uygulanması özellikle önemlidir. Geleneksel olarak, MgO, Al2O3, CaO gibi oksitler ve nadir toprak oksitler, düşük erime noktalı ötektik eriyikler oluşturarak sıvı faz sinterlemesini destekleyen ve böylece silikon nitrürün yoğunluğunu artıran sinterleme katkı maddeleri olarak yaygın şekilde kullanılır. Bununla birlikte, bu oksit sinterleme katkı maddeleri aynı zamanda yoğunlaşmayı da beraberinde getirir, ancak aynı zamanda yeni bir sorunu da beraberinde getirir: kendi düşük ısı iletkenlikleri ve tane sınırı faz değişikliklerine (SiAlON katı çözeltisinin oluşması gibi) neden olabilirler, genel olarak olumsuz bir etkiye sahiptirler. silikon nitrür seramiklerinin termal iletkenliği.
Bu sorunun üstesinden gelmek için bilim adamları oksit olmayan sinterleme katkı maddelerinin uygulamalarını araştırmaya başladı. MgSiN2 ve nadir toprak florür gibi oksit olmayanlar benzersiz avantajlar gösterir. Bunlar yalnızca silikon nitrürün ikincil fazını ve kafes oksijen içeriğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda spesifik kimyasal reaksiyonlar (nadir toprak florürün SiO2 ile reaksiyona girerek uçucu SiF4 üretmesi gibi) yoluyla tane sınır fazının azaltılmasını ve SiO2'nin azaltılmasını da teşvik eder. Kafes oksijen içeriğini etkili bir şekilde azaltmak ve termal iletkenliği arttırmak için. Bununla birlikte, oksit olmayan sinterleme katkı maddelerinin ticari uygulaması hâlâ zorluklarla karşı karşıyadır ve yüksek maliyet ve tedarik kısıtlamaları, bunların büyük ölçekli üretimdeki uygulamalarını sınırlamaktadır.
Kapsamlı strateji: oksit + oksit olmayan sinterleme katkı maddeleri
Yukarıdaki analiz ışığında olası bir çözüm, "oksit + oksit olmayan" kompozit sinterleme yardımcı sisteminin benimsenmesidir. Bu strateji, iki tür sinterleme katkı maddesinin avantajlarını birleştirmeyi amaçlamaktadır: oksit katkı maddeleri, malzemenin yoğunlaşmasını sağlamak için gerekli sıvı faz sinterleme ortamını sağlar; Oksit olmayan katkı maddeleri kafes oksijen içeriğini daha da azaltır ve benzersiz kimyasal özellikleri sayesinde termal iletkenliği arttırır. Dikkatlice tasarlanmış bir formülasyon sistemi aracılığıyla, üretim verimliliğini sağlarken silikon nitrür substratının termal iletkenliğini en üst düzeye çıkarmak için sinterleme prosesinin ve nihai ürünün performansının hassas kontrolünü sağlamak mümkündür.
Özetle, silikon nitrür substrat malzemesinin termal iletkenliğinin optimizasyonu, birçok faktörü ve katmanı içeren karmaşık bir işlemdir. Kafes titreşimi ve fonon iletiminin mikroskobik mekanizmasını derinlemesine anlayarak ve ayrıca sinterleme katkı maddelerinin seçim ve formülasyon sistemini hassas bir şekilde düzenleyerek, termal iletkenliği iyileştirmede silikon nitrür malzemelerin karşılaştığı darboğazın etkili bir şekilde üstesinden gelebiliriz. Gelecekte, malzeme bilimi araştırmalarının sürekli derinleşmesi ve teknolojinin sürekli ilerlemesiyle birlikte, silikon nitrür substrat malzemelerinin benzersiz çekiciliğini ve geniş uygulama olanaklarını daha fazla alanda göstereceğine inanmak için nedenlerimiz var. Bu aynı zamanda ilgili alanlarda teknolojik inovasyonu ve endüstriyel gelişmeyi de teşvik edecek ve insan toplumunun sürdürülebilir kalkınmasına katkıda bulunacaktır.
