Badania nad przewodnictwem termicznym ceramiki azotku krzemu

W polach podłoża z podłoża półprzewodników, nowe pojazdy energetyczne i lotnicze, azotki krzemowe (SI₃N₄) pojawiły się jako „gwiazdor” w materiałach opakowania nowej generacji ze względu na ich wysoką wytrzymałość, oporność w wysokiej temperaturze i doskonałą przewodnictwo cieplne. Jednak przewodność cieplna tego materiału nie jest równomiernie rozłożona; Wykazuje znaczące różnice w różnych kierunkach, zwane „anizotropią”. Ta cecha jest zarówno zaletą, jak i wyzwaniem w praktycznych zastosowaniach. W tym artykule przeanalizuje esencję anizotropowego przewodności cieplnej ceramiki azotku krzemu z perspektywy struktury krystalicznej, mechanizmów transportu fononu i procesów wytwarzania oraz zbada jej zastosowania w warunkach przemysłowych.

Przewodnictwo cieplne ceramiki azotku krzemu jest ściśle związane z ich strukturą krystaliczną. Azotek krzemu występuje w dwóch pierwotnych faz krystalicznych: fazy α i fazie β. Wśród nich β-si₃n₄, z jego wyższą symetrią i bardziej stabilną strukturą, jest głównym składnikiem wysokiej ceramiki przewodności cieplnej. Komórka jednostkowa β-si₃n₄ ma sześciokątną strukturę, w której atomy krzemowe (SI) i azot (N) są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc układ warstwowy. Struktura ta powoduje znaczące różnice w prędkości propagacji fononów (kwant wibracji sieci) w różnych kierunkach. Obliczenia teoretyczne pokazują, że teoretyczna przewodność cieplna pojedynczych kryształów β-si₃n₄ wzdłuż osi C (prostopadle do warstw atomowych) może osiągnąć do 450 w/(m · k), podczas gdy wzdłuż osi A (równolegle do warstw atomowych), jest to tylko 170 W/(m · k). Różnica ta wynika z wydajności rozpraszania fononów w różnych kierunkach krystalograficznych: wzdłuż osi C układ atomowy jest gęstszy, zapewniając bardziej ciągłą ścieżkę transportu fononu o niższym prawdopodobieństwie rozpraszania; Podczas gdy wzdłuż osi A słabe interakcje między warstwami atomowymi prowadzą do wyższego rozpraszania fononu na granicach ziarna lub wadach.

Jednak przewodność cieplna rzeczywistej polikrystalicznej ceramiki azotku krzemowego jest znacznie niższa niż wartości teoretyczne. Na przykład komercyjne substraty zwykle wykazują przewodność cieplną 80–120 W/(M · K), podczas gdy próbki zoptymalizowane w laboratorium mogą osiągnąć do 177 W/(M · K). Ta luka jest przede wszystkim spowodowana defektami mikrostrukturalnymi w materiałach polikrystalicznych, w tym fazach granicznych ziarna, porach, zanieczyszczeniach (takich jak tlen i aluminium) oraz nieuporządkowane ustalenia ziarna.

Aby w pełni wykorzystać potencjał przewodności cieplnej β-si₃n₄, naukowcy próbowali kontrolować mikrostrukturę ceramiki polikrystalicznej za pomocą technik orientacji ziarna. Podstawową ideą jest wyrównanie ziaren podobnych do pręta β-si₃n₄ wzdłuż osi C, osiągając w ten sposób wysoką przewodność cieplną w określonym kierunku w skali makroskopowej.

2.1 Formowanie magnetyczne wspomagane pola

Ziarna β-si₃n₄ wykazują anizotropię magnetyczną, co oznacza, że ​​ich podatność magnetyczna zmienia się wzdłuż różnych osi krystalograficznych. Korzystając z tej właściwości, podczas procesów odlewania taśm lub odlewania taśm można zastosować silne pole magnetyczne (zwykle 10–12 t), aby zmusić ziarna do obracania się i wyrównania wzdłuż kierunku pola magnetycznego. Eksperymenty pokazują, że próbki przygotowane z wyrównaniem pola magnetycznego mogą osiągnąć przewodność cieplną 155 W/(M · K) wzdłuż osi C, podczas gdy kierunek prostopadły osiąga tylko 52 W/(M · K). Ta różnica bezpośrednio odzwierciedla anizotropowy charakter materiału.

2.2 Wzrost wywołany nasionami

Inna strategia polega na dodaniu nasion β-si₃n₄. Nasiona te działają jako szablony, kierując wzrostem nowych ziaren wzdłuż konkretnych kierunków podczas spiekania. Na przykład dodanie 0,5 wag.% Nasion β-si₃n₄ może zwiększyć przewodność cieplną z 77 W/(M · K) do 106 W/(M · K). Jednak wprowadzenie nasion może komplikować proces spiekania, wymagający wysokich temperatur (1900 ° C) i wysokiego ciśnienia (azotu 10 MPa) w celu osiągnięcia zagęszczenia.

Pomimo przełomów w warunkach laboratoryjnych, produkcja na dużą skalę stoi przed wyzwaniami. Wysoki koszt sprzętu pola magnetycznego i złożoność procesów opartych na nasionach ograniczają ich zastosowanie przemysłowe.

Anizotropowe przewodnictwo cieplne ceramiki azotku krzemu jest zarówno zaletą, jak i wyzwaniem projektowym. Na przykład w modułach mocy półprzewodnikowej substraty wymagają wysokiej przewodności cieplnej w kierunku pionowym (od układu do radiatora) w celu skutecznego rozpraszania ciepła, jednocześnie wymagając współczynnika rozszerzania termicznego w kierunku poziomym, który pasuje do materiału wiórego (EG, SIC), aby uniknąć pękania naprężenia termicznego. Ta sprzeczność zmusza inżynierów do poszukiwania równowagi w zakresie projektowania i przetwarzania materiałów.

3.1 Kontrola fazy granicznej ziarna

Dodanie pomocy spiekania (np. Y₂o₃-MGO) sprzyja zagęszowi, ale tworzy fazy graniczne ziarna o niskiej termorskiej przewodności (np. Krzemowe oksynienitridy). Badania pokazują, że optymalizacja składu pomocy spiekania (np. Wykorzystanie MGSIN₂ zamiast MGO) może zmniejszyć zawartość fazy granicznej ziarna do poniżej 5%, zwiększając w ten sposób przewodność cieplną.

3.2 Kontrola zanieczyszczenia tlenu

Tlen kratowy jest głównym źródłem rozpraszania fononu. Surowce o wysokiej walce (zawartość tlenu <1%wag.) I redukująca atmosfera spiekania (np. Mieszany azot-hajdrogen) mogą skutecznie zmniejszyć zanieczyszczenia tlenu, zwiększając przewodność cieplną o około 20%.

Przyszłe kierunki badań w celu dalszej poprawy przewodności cieplnej ceramiki azotku krzemu obejmują:

Projekt nanostruktury: wprowadzając wielkości ziarna gradientu lub heterogeniczne interfejsy, ścieżki transportu fonon można zoptymalizować.

Rozwój ceramiki kompozytowej: Łączenie z materiałami o wysokiej termicznej przewodności (np. Grafen) w celu przełamania granic wydajności ceramiki jednofazowej.

Dokładne kontrolowanie anizotropowego przewodności cieplnej ceramiki azotku krzemu jest zarówno podstawowym wyzwaniem w dziedzinie materiałów, jak i kluczowym przełomem dla zastosowań przemysłowych. Od projektu struktury krystalicznej na poziomie atomowym po makroskopową kontrolę orientacji ziarna, oczekuje się, że ceramika azotku krzemu zbliży się do ich teoretycznej przewodności cieplnej wzdłuż osi C, torując drogę do szerszych zastosowań w elektronice o dużej mocy, komunikacji 5G, pojazdach elektrycznych i poza nim.