Yüksek performanslı bir termal yönetim çözümünün temeli olarak silikon nitrür (Si3N4) substrat malzemelerini keşfederken, bunların ısı transfer mekanizmalarını anlamamız kritik öneme sahiptir. Silisyum nitrürün ana ısı transfer mekanizmasının, ısıyı fonon adı verilen nicelenmiş sıcak yük taşıyıcıları yoluyla aktaran bir süreç olan kafes titreşimine dayandığı bilinmektedir.
Kafes içindeki fononların yayılması basit bir doğrusal hareket değildir, ancak kafes arasındaki karmaşık bağlantıdan etkilenir, fononlar arasında sık sık çarpışmalara neden olur, bu da fononların ortalama serbest yolunu, yani ortalamayı önemli ölçüde azaltır. Fononların iki çarpışma arasında serbestçe gidebildiği mesafe. Bu mekanizma, silikon nitrür malzemelerin termal iletkenliğini doğrudan etkiler.
Ayrıca Si3N4 kristallerindeki çeşitli kusurlar, safsızlıklar ve tane arayüzleri fonon saçılımının ana kaynakları haline gelir. Bu saçılma olayları ayrıca fononların ortalama serbest yolunda bir azalmaya yol açar ve bu da malzemenin genel termal iletkenliğini azaltır. Özellikle, silikon nitrür seramiklerin termal iletkenliğini etkileyen ana kusurlardan biri olan kafes oksijeni, fononların düzgün yayılmasını önemli ölçüde engeller ve malzemenin termal iletkenlik verimliliğini azaltır.
Bu zorluğun üstesinden gelmek ve silikon nitrür substratının termal iletkenliğini geliştirmek için kaynaktan başladık ve kafes içindeki oksijen içeriğini azaltmaya odaklandık. Özel stratejiler şunları içerir:
Hammadde tozunu optimize edin
Başlangıç malzemesi olarak düşük oksijen içeriğine sahip Si tozunun seçilmesi anahtardır. İlk ham maddedeki oksijen safsızlık içeriği, sıkı bir ham madde eleme ve ön arıtma prosesi yoluyla azaltılır. Daha sonra, iki aşamalı bir nitrürlenmiş sinterleme işlemi kullanılır; burada Si tozu ilk önce nitrojen atmosferinde erime noktasına (1414) yakın olacak şekilde ısıtılır, böylece gözenekli Si3N4 sinterlenmiş gövde oluşturmak üzere nitrojenle reaksiyona girer. Bu işlem, yeni üretilen silikon nitrürdeki oksijen içeriğini kontrol ederken Si'nin yeterli nitrürlenmesini sağlar. Daha sonra gözenekli Si3N4, tane büyümesini ve gözenek kapanmasını teşvik etmek için yüksek sıcaklıkta daha da sinterlendi ve son olarak yüksek yoğunluklu, düşük oksijen içerikli ve yüksek termal iletkenliğe sahip Si3N4 seramik substrat oluşturuldu.
Yüksek saflıkta α-Si3N4 tozunun doğrudan sinterlenmesi
Diğer bir yol ise sinterleme için çok düşük oksijen içeriğine sahip yüksek saflıkta α-Si3N4 tozunun kullanılmasıdır. Bu yöntem, Si'den Si3N4'e dönüşüm sürecini ortadan kaldırır ve sinterleme için doğrudan yüksek saflığa ve spesifik kristal yapıya sahip a-Si3N4 tozlarını kullanır, böylece oksijen safsızlığının giriş olasılığını azaltır. Sıcaklık, atmosfer ve basınç gibi sinterleme parametrelerinin hassas bir şekilde kontrol edilmesiyle, yüksek yoğunluklu, az kusurlu ve mükemmel termal iletkenliğe sahip silikon nitrür substratlar elde edilebilir.
β-Si3N4'ün sinterleme uygulaması
Her ne kadar β-Si3N4, bazı fiziksel özelliklerde α-Si3N4'ten farklı olsa da, düşük oksijen içeriği ve yüksek saflığı, yüksek performanslı silikon nitrür substratların hazırlanması için de uygundur. Sinterleme için β-Si3N4 tozunun kullanılması aynı zamanda yüksek ısı iletkenliğine sahip silikon nitrür malzemeleri de hazırlayabilir, özellikle spesifik uygulama senaryolarında β-Si3N4'ün bazı özellikleri daha avantajlı olabilir.
Özetle, Silikon nitrür (Si3N4) alt tabaka malzemesi, yüksek performanslı bir termal yönetim çözümünün önemli bir bileşenidir ve termal iletkenliğinin optimizasyonu, genel termal yönetim verimliliğini artırmak için çok önemlidir. Silikon nitrürün ısı transfer mekanizmasını, yani kafes titreşimi ve fonon iletim sürecini derinlemesine anlayarak, fonon saçılımının termal iletkenliği etkileyen temel faktörlerden biri olduğunu fark ettik. Özellikle, ana saçılma kaynağı olarak görev yapan kafesteki oksijen kusurları, fononların ortalama serbest yolunu önemli ölçüde azaltır, böylece ısının etkili iletimini engeller.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, silikon nitrür substratındaki oksijen içeriğini azaltmak ve böylece termal iletkenliğini artırmak için çeşitli stratejiler öneriyoruz. Hammadde tozunun optimum seçiminden, yüksek saflıkta α-Si3N4 tozunun doğrudan sinterlenmesine ve β-Si3N4'ün sinterleme uygulamasına kadar her yöntem, kaynaktaki oksijen yabancı maddelerinin girişini azaltmayı ve yüksek yoğunluk ve düşük yoğunluk elde etmeyi amaçlamaktadır. Hassas proses kontrolü aracılığıyla malzemenin kusur durumu.
Gelecekteki araştırmalar daha verimli silikon nitrür hazırlama proseslerini keşfetmeye ve farklı kristal yapıların ve mikro yapının silikon nitrürün termal iletkenliğini etkilediği mekanizmanın daha iyi anlaşılmasına odaklanacaktır. Bu çabalar sayesinde, elektronik paketleme, havacılık, enerji dönüşümü ve diğer alanlarda yüksek performanslı termal yönetim için güçlü destek sağlayan, daha yüksek termal iletkenliğe ve daha düşük termal dirence sahip silikon nitrür substrat malzemeleri geliştirmemiz bekleniyor.
