In den Bereichen von Halbleiter-Leistungsgeräten, neuen Energiefahrzeugen und Luft- und Raumfahrt haben sich die Keramik-Substrate von Siliziumnitrid (si₃n₄) aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihrer hohen Temperaturenwiderstand und einer hervorragenden thermischen Leitfähigkeit als "Sternspieler" in Verpackungsmaterialien der nächsten Generation herausgestellt. Die thermische Leitfähigkeit dieses Materials ist jedoch nicht einheitlich verteilt; Es zeigt signifikante Unterschiede in verschiedenen Richtungen, die als "Anisotropie" bezeichnet werden. Dieses Merkmal ist sowohl ein Vorteil als auch eine Herausforderung in praktischen Anwendungen. In diesem Artikel wird die Essenz der anisotropen thermischen Leitfähigkeit der Siliziumnitridkeramik aus den Perspektiven der Kristallstruktur, Phonontransportmechanismen und Herstellungsprozesse analysiert und seine Anwendungen in industriellen Umgebungen untersucht.
1. Der physikalische Ursprung der anisotropen thermischen Leitfähigkeit in Siliziumnitridkeramik
Die thermische Leitfähigkeit der Siliziumnitridkeramik hängt eng mit ihrer Kristallstruktur zusammen. Siliziumnitrid existiert in zwei primären kristallinen Phasen: α-Phase und β-Phase. Unter diesen ist β-Si₃n₄ mit seiner höheren Symmetrie und seiner stabileren Struktur die Hauptkomponente der hohen thermischen Leitfähigkeitskeramik. Die Einheitszelle von β-Si₃n₄ hat eine hexagonale Struktur, wobei Silizium (Si) und Stickstoff (N) Atome durch starke kovalente Bindungen verbunden sind und eine Schichtanordnung bilden. Diese Struktur führt zu signifikanten Unterschieden in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Phononen (Quanta von Gittervibrationen) in verschiedene Richtungen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass die theoretische thermische Leitfähigkeit von β-Si₃n₄-Einzelkristallen entlang der C-Achse (senkrecht zu den Atomschichten) bis zu 450 w/(m · k) erreichen kann, während entlang der A-Achse (parallel zu den Atomschichten) nur 170 w/(m · k). Dieser Unterschied ergibt sich aus der Streueffizienz von Phononen in verschiedenen kristallographischen Richtungen: Entlang der C-Achse ist die Atomanordnung dichter und bietet einen kontinuierlicheren Phonontransportweg mit niedrigerer Streuwahrscheinlichkeit; Während entlang der A-Achse führen schwache Wechselwirkungen zwischen Atomschichten zu einer höheren Phonon-Streuung bei Korngrenzen oder Defekten.
Die thermische Leitfähigkeit der tatsächlichen polykristallinen Siliziumnitridkeramik ist jedoch viel niedriger als die theoretischen Werte. Beispielsweise weisen kommerzielle Substrate thermische Leitfähigkeiten von 80–120 w/(m · k) auf, während laboroptimierte Proben bis zu 177 W/(M · k) erreichen können. Diese Lücke wird hauptsächlich durch Mikrostrukturdefekte in polykristallinen Materialien verursacht, einschließlich Korngrenzenphasen, Poren, Verunreinigungen (wie Sauerstoff und Aluminium) und gestörter Kornanordnungen.
2. Kornorientierung für eine verstärkte Wärmeleitfähigkeit
Um das thermische Leitfähigkeitspotential von β-Si₃n₄ vollständig auszunutzen, haben Wissenschaftler versucht, die Mikrostruktur der polykristallinen Keramik durch Kornorientierungstechniken zu kontrollieren. Die Kernidee besteht darin, die stäbchenähnlichen β-Si₃n₄-Körner entlang der C-Achse auszurichten und so auf makroskopischer Skala eine hohe thermische Leitfähigkeit in eine bestimmte Richtung zu erzielen.
2.1 Magnetfeldunterstützte Form
β-Si₃n₄-Körner weisen eine magnetische Anisotropie auf, was bedeutet, dass ihre magnetische Empfindlichkeit entlang verschiedener kristallographischer Achsen variiert. Unter Verwendung dieser Eigenschaft kann ein starkes Magnetfeld (typischerweise 10–12 t) während der Klebebandguss- oder Schlupfgussprozesse angewendet werden, um die Körner zu drehen und entlang der Magnetfeldrichtung auszurichten. Experimente zeigen, dass Proben, die mit Magnetfeldausrichtung hergestellt wurden, eine thermische Leitfähigkeit von 155 W/(m · k) entlang der C-Achse erreichen können, während die senkrechte Richtung nur 52 W/(m · k) erreicht. Dieser Unterschied spiegelt direkt die anisotrope Natur des Materials wider.
2.2 Saatgut-induziertes Wachstum
Eine andere Strategie besteht darin, β-Si₃n₄-Samen hinzuzufügen. Diese Samen wirken als Vorlagen und führen das Wachstum neuer Körner in bestimmten Richtungen während des Sinterns. Beispielsweise kann das Zugabe von 0,5 Gew .-% β-Si₃n₄-Samen die thermische Leitfähigkeit von 77 W/(M · K) auf 106 W/(M · k) erhöhen. Die Einführung von Samen kann jedoch den Sinterprozess erschweren, der hohe Temperaturen (1900 ° C) und hohen Druck (10 MPa -Stickstoff) erfordert, um eine Verdichtung zu erreichen.
Trotz des Durchbruchs in Laborumgebungen steht eine großflächige Produktion vor Herausforderungen. Die hohen Kosten für Magnetfeldgeräte und die Komplexität von Saatgutprozessen begrenzen ihre industrielle Anwendung.
3.. Leistungsoptimierung in praktischen Anwendungen
Die anisotrope thermische Leitfähigkeit der Siliziumnitridkeramik ist sowohl ein Vorteil als auch eine Designherausforderung. Zum Beispiel benötigen Substrate in Halbleiter -Leistungsmodulen eine hohe thermische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung (vom Chip zum Kühlkörper) zur effizienten Wärmeableitung, während gleichzeitig ein thermischer Expansionskoeffizient in der horizontalen Richtung entspricht, die dem Chipmaterial entspricht (z. B. sic), um die thanmalen Stressrisse zu vermeiden. Dieser Widerspruch zwingt Ingenieure, ein Gleichgewicht in der Materialdesign und -verarbeitung zu suchen.
3.1 Kontrolle der Korngrenze Phase
Die Zugabe von Sinterhilfen (z. B. y₂o₃-mgo) fördert die Verdichtung, bildet jedoch Korngrenzenphasen mit niedriger Thermiskonduktivität (z. B. Siliziumoxynitriden). Untersuchungen zeigen, dass die Optimierung der Sinterhilfszusammensetzung (z. B. unter Verwendung von MGSin₂ anstelle von MGO) den Gehalt an der Korngrenze auf unter 5%reduzieren kann, wodurch die thermische Leitfähigkeit verbessert wird.
3.2 Kontrolle der Sauerstoffverunreinigung
Gittersauerstoff ist eine Hauptquelle für die Phononenstreuung. Hohe Rohstoffe (Sauerstoffgehalt <1 Gew .-%) und eine reduzierende Sinteratmosphäre (z. B. Stickstoff-Hydrogen-gemischtes Gas) können Sauerstoffverunreinigungen wirksam reduzieren und die thermische Leitfähigkeit um etwa 20%erhöhen.
4. Zukünftige Richtungen zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit
Zukünftige Forschungsanweisungen zur weiteren Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit von Siliziumnitridkeramik gehören:
Nanostrukturdesign: Durch Einführung von Gradientenkorngrößen oder heterogenen Schnittstellen können Phonontransportwege optimiert werden.
Verbundkeramikentwicklung: Kombination mit hochthermischen Leitermaterialien (z. B. Graphen), um die Leistungsgrenzen der einphasigen Keramik zu durchbrechen.
Die genaue Kontrolle der anisotropen thermischen Leitfähigkeit der Siliziumnitridkeramik ist sowohl eine grundlegende Herausforderung in der Materialwissenschaft als auch ein wichtiger Durchbruch für industrielle Anwendungen. Von der Konstruktion von Kristallstruktur auf Atomebene bis hin zur Kontrolle der makroskopischen Kornorientierung wird erwartet, dass die Siliziumnitridkeramik sich ihrer theoretischen thermischen Leitfähigkeit entlang der C-Achse nimmt und den Weg für breitere Anwendungen in der Hochleistungselektronik, 5G-Kommunikation, Elektrofahrzeuge und darüber hinaus ebnet.
