Lý do tạo ra khoảng cách giữa độ dẫn nhiệt thực tế và lý thuyết của gốm sứ Silicon Nitride

Silicon nitride (Si₃N₄) là vật liệu gốm cấu trúc có độ dẫn nhiệt nội tại khoảng 320 W/(m·K), có tính dẫn nhiệt cao và các đặc tính cơ học vượt trội. Nhờ tính ổn định vượt trội ở nhiệt độ môi trường, Si₃N₄ đã trở thành vật liệu đóng gói nền gốm được sử dụng rộng rãi cho ngành công nghiệp bán dẫn hiện đại. Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng chú ý giữa độ dẫn nhiệt thực tế của Si₃N₄ và giá trị lý thuyết của nó. Bài viết này khám phá các yếu tố chính gây ra sự khác biệt như vậy.

1 mạng oxy

Sự dẫn nhiệt trong Si₃N₄ chủ yếu bị chi phối bởi sự truyền phonon. Sự không hoàn hảo của mạng bao gồm chỗ trống, lỗi xếp chồng và tạp chất giữa các hạt làm tăng cường sự tán xạ phonon và làm giảm tính dẫn nhiệt của silicon nitride.

Mạng oxy đóng vai trò là yếu tố quyết định làm thay đổi độ dẫn nhiệt của Si₃N₄. Sau khi các nguyên tử oxy xuyên qua mạng Si₃N₄, các chỗ trống silicon hình thành, rút ​​ngắn đáng kể đường tự do trung bình của phonon và theo đó độ dẫn nhiệt giảm. Để tăng hiệu suất nhiệt của Si₃N₄, nên giảm thiểu hàm lượng oxy trong bột thô để tối ưu hóa hoạt động thiêu kết, đồng thời giữ lại kích thước hạt mịn ban đầu để ngăn chặn ô nhiễm oxy thêm.

Phụ gia thiêu kết thông thường choSi₃N₄là một nguồn oxy mạng chính khác. Các chất phụ gia này tạo thành các pha thứ cấp dạng hạt có độ dẫn nhiệt thường dưới 1 W/(m·K) trong pha lỏng, làm suy yếu khả năng dẫn nhiệt khối lượng lớn của Si₃N₄. Nghiên cứu hiện tại xác nhận rằng việc sử dụng các chất phụ gia thiêu kết oxit đất hiếm sẽ làm giảm hàm lượng oxy trong mạng khi bán kính ion của các nguyên tố đất hiếm giảm. Quá trình thiêu kết ở nhiệt độ thấp được ưu tiên sử dụng để cắt giảm chi phí sản xuất chất nền gốm Si₃N₄ trong khi vẫn đảm bảo mật độ hoàn toàn và kích thước hạt mong muốn.

Hơn nữa, việc bổ sung vừa phải bột cacbon khử sẽ ngăn chặn sự hình thành pha thứ cấp và cải thiện độ tinh khiết của mạng; nên tránh quá nhiều carbon tự do để đạt được độ dẫn nhiệt cao.

2 Cấu trúc tinh thể của Silicon Nitride

Silicon nitride là một hợp chất cộng hóa trị mạnh với trọng lượng phân tử 140,68. Hai dạng đa hình phổ biến của nó là α‑Si₃N₄ và β‑Si₃N₄, cả hai đều thuộc hệ tinh thể lục giác. Cho rằng gốm Si₃N₄ thường được thiêu kết ở nhiệt độ trên 1800 °C, β‑Si₃N₄ tạo thành pha tinh thể chiếm ưu thế trong các thành phần Si₃N₄ có bán trên thị trường.

(1) Động lực cho sự phát triển của hạt β‑Si₃N₄

Phần α‑Si₃N₄ dư thừa chưa được chuyển hóa còn sót lại trong quá trình chuyển pha α‑sang‑β gây ra tác động tiêu cực rõ rệt đến độ dẫn nhiệt. Do đó, sự biến đổi pha hoàn toàn từ α‑Si₃N₄ thành β‑Si₃N₄ là cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo mầm và phát triển hạt của β‑Si₃N₄ nhằm cải thiện tính dẫn nhiệt.

(2) Hình thái của hạt β‑Si₃N₄ đã trưởng thành

Độ dẫn nhiệt tăng rõ rệt khi kích thước hạt β‑Si₃N₄ tăng lên và thời gian ủ kéo dài giúp tăng cường hơn nữa khả năng truyền nhiệt. Tuy nhiên, một khi ngũ cốc phát triển vượt quá kích thước tới hạn, việc làm thô thêm hạt sẽ mang lại sự cải thiện không đáng kể về hiệu suất nhiệt.

3 Mật độ tương đối

Mật độ tương đối có ảnh hưởng nổi bật đến độ dẫn nhiệt của Si₃N₄. Độ xốp cao hơn dẫn đến sự suy giảm độ dẫn nhiệt rõ rệt. Nhìn chung, gốm Si₃N₄ có độ dẫn nhiệt cao có mật độ khối và độ khuếch tán nhiệt cao, đồng thời các oxit đất hiếm tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo silicon nitrit đậm đặc hoàn toàn. Quá trình thiêu kết pha lỏng là bắt buộc để thực hiện quá trình cô đặc của gốm silicon nitrit và mật độ cuối cùng của Si₃N₄ thay đổi theo các thông số thiêu kết và phương pháp xử lý khác nhau. Vì lý do này, việc lựa chọn kỹ thuật thiêu kết thích hợp là rất quan trọng để sản xuất gốm Si₃N₄ có độ dẫn nhiệt cao.

Semicorex cung cấp chất lượng caostấm nitrit ilicscho quá trình oxy hóa nhiệt. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Số điện thoại liên hệ +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com