Silisyum nitrür seramikleri güçlü kovalent bağ bileşikleri olduğundan , ısı transferi yalnızca yoğunluk, faz bileşimi, mikro yapı ve kafes oksijeni gibi faktörlerden etkilenen kafes titreşimi yoluyla tamamlanabilir; silikon nitrür seramiklerinin gerçek termal iletkenliği genellikle teorik olandan çok daha düşüktür. Bu değer şu anda silikon nitrür substratların uygulanmasını sınırlayan en büyük darboğazdır .
Yoğunluk ve Faz Bileşimi
Genel olarak seramikteki gözeneklerin azaltılması mikro yapıyı daha kompakt hale getirebildiğinden, malzemedeki fononların iletim yolu daha süreklidir, dolayısıyla fononların saçılması azalır. Bu nedenle silikon nitrür seramiklerinin yoğunluğunun mümkün olduğu kadar arttırılması, yüksek ısı iletkenliğine sahip silikon nitrür seramiklerin elde edilmesinin ön şartıdır.
Silisyum nitrür seramikleri ayrıca termal iletkenlik üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir, silikon nitrür, a-Si3N4'ün düşük yapısal simetrisinden dolayı α ve β iki kristal fazına sahiptir, hücresi daha fazla boşluğa sahiptir, daha fazla yabancı madde iyonunu barındırabilir, saçılma etkisi fononlar daha güçlüdür. Ek olarak, α-Si3N4'ün oksijen içeriği β-Si3N4'ünkinden çok daha yüksektir ve oksijen safsızlıkları, silikon boşlukları oluşturmak için katı çözelti reaksiyonları üretecek ve ayrıca termal iletkenliğin azalmasına yol açacak olan fonon saçılımına neden olacaktır. Sıvı faz sinterleme işleminde α fazı yavaş yavaş β fazına dönüşür. α fazı içeriğine göre β fazı içeriğinin artmasıyla birlikte, silikon nitrür seramiklerinin termal iletkenliği kademeli olarak artar.
Mikro Morfoloji
Tane boyutu, tane sınırı film kalınlığı ve cam fazı içeriği, silisyum nitrürün ısıl iletkenliği üzerinde önemli etkilere sahiptir. Silisyum nitrür seramiklerin sıvı faz sinterlenmesi sırasında, katkı maddelerinin yüzeydeki SiO2 ile yüksek sıcaklıkta reaksiyonu sonucu oluşan nitrojen oksit bileşiğinin sıvı fazı, seramiklerin yoğunlaşmasına yardımcı olur. Soğuduktan sonra silikon nitrür seramiklerinde sıvı faz kalacaktır ve ısı iletkenliği çok düşüktür. Oluşan cam fazın bir kısmı, kalınlığı yaklaşık 1~2 nm olan tane sınırı filmi formunda mevcuttur; Fazla cam fazın bir diğer kısmı, β-Si3N4'ün uzun çubuk tanelerinin birleşim yerinde bir cam zarf oluşturur. Düşük termal iletkenliğe sahip tane sınırı faz içeriği ne kadar yüksek olursa, silikon nitrür seramiklerinin termal iletkenliği de o kadar düşük olur.
Ek olarak, tane boyutunun artması termal iletkenliğin iyileştirilmesine yardımcı olur, ancak tane boyutu kritik değere ulaştığında, tane boyutunun artmasının silikon nitrürün termal iletkenliğinin iyileştirilmesi üzerinde belirgin bir etkisi yoktur. Bu nedenle, silikon nitrürün anormal tanecik büyümesini teşvik etmek için yalnızca yüksek sıcaklıkta sinterleme ve uzun süreli ısı koruması yoluyla termal iletkenliği iyileştirmeye devam edemezsiniz, daha etkili başka yolların araştırılması gerekir.
Kafes Oksijen İçeriği
Farklı sinterleme sistemlerinde silikon nitrürün termal iletkenliği, kafes oksijen içeriği ile negatif ilişkilidir. Uzun bir süredir araştırmacılar, silikon nitrürün termal iletkenliğini geliştirmek için silikon nitrürdeki katı çözeltinin kafes oksijen içeriğini azaltmaya odaklanıyorlar. Sinterleme sıcaklığını artırarak ve yüksek sıcaklıkta tutma süresini uzatarak, silikon nitrür, sıvı fazda daha düşük viskoziteyle tamamen çözülebilir ve çökeltilebilir, kafes kusurlarını azaltabilir ve tane boyutunu artırabilir; bu, silikon nitrürün termal iletkenliğinin iyileştirilmesinde önemli bir rol oynar. ancak ortaya çıkan yüksek maliyet, yüksek termal iletkenliğe sahip silikon nitrür substratların yaygınlaştırılmasına ve uygulanmasına elverişli değildir.
Bu nedenle, sıvı fazın bileşimi, yüksek saflıkta ve düşük oksijen içeriğine sahip bir toz seçilerek ve oksit olmayan sinterleme katkı maddeleri vb. eklenerek ayarlanabilir. Düşük oksijen içeriğine sahip sıvı faz, β-'de kafes oksijen oluşumunu engelleyebilir. Si3N4, böylece termal iletkenliği önemli ölçüde artırır. Şu anda, düşük kafes oksijen içerikli silisyum nitrür tozunun arka planında önemli bir atılım yapılmamıştır; bu, ilgili oksit sinterleme katkı maddeleri yerine oksit olmayan maddeleri kullanmanın ve sıvı faz bileşimini iyileştirmek için sıvı faz bileşimini ayarlayarak kafes oksijen içeriğini düzenlemenin ekonomik ve etkili bir yoludur. silikon nitrür seramiklerinin termal iletkenliği.
