Nelle tecnologie all'avanguardia come gli imballaggi elettronici ad alte prestazioni, il settore aerospaziale e la conversione dell'energia, i materiali substrato in nitruro di silicio (Si3N4) sono molto apprezzati per le loro eccellenti proprietà meccaniche, stabilità chimica e resistenza alle alte temperature. Tuttavia, la conduttività termica del nitruro di silicio, in quanto uno dei fattori chiave che ne influenzano l'ampia applicazione, è sempre stata il focus e la difficoltà della ricerca sulla scienza dei materiali. Questo articolo si propone di esplorare in profondità i principali meccanismi di trasferimento del calore del substrato di nitruro di silicio, vale a dire la vibrazione reticolare e la conduzione fononica, e di analizzare sistematicamente l'influenza della strategia di selezione e ottimizzazione degli additivi di sinterizzazione sulla conduttività termica del substrato di nitruro di silicio, al fine di fornire basi teoriche e indicazioni pratiche per migliorare l'efficienza della gestione termica del substrato di nitruro di silicio.
Una comprensione più approfondita dei meccanismi di trasferimento del calore
Il principale meccanismo di trasferimento del calore del nitruro di silicio, vale a dire la vibrazione reticolare e la conduzione dei fononi, è un processo complesso e delicato. La propagazione non lineare e la collisione dei fononi nel reticolo non sono solo limitate dall'accoppiamento tra reticolo, ma sono anche profondamente influenzate dalle caratteristiche microstrutturali interne dei materiali. In particolare, nei cristalli di Si3N4 esistono molti difetti (come posti vacanti, dislocazioni), atomi di impurità e interfacce di grano che, come centro di diffusione dei fononi, riducono significativamente il percorso libero medio dei fononi e quindi diventano il principale collo di bottiglia che limita il miglioramento della conducibilità termica del nitruro di silicio. L'ossigeno reticolare, essendo uno dei tipi di difetti più importanti, non solo aumenta la probabilità di diffusione dei fononi, ma causa anche una distorsione reticolare, che indebolisce ulteriormente l'efficienza di conduzione del calore.
Strategia di ottimizzazione degli additivi per sinterizzazione
In considerazione del forte legame covalente del nitruro di silicio e della difficoltà di sinterizzazione compatta attraverso la diffusione in fase solida, la selezione e l'applicazione di additivi per sinterizzazione sono particolarmente importanti. Tradizionalmente, ossidi come MgO, Al2O3, CaO e ossidi di terre rare sono ampiamente utilizzati come additivi per la sinterizzazione, che promuovono la sinterizzazione in fase liquida formando fusioni eutettiche a basso punto di fusione, aumentando così la densità del nitruro di silicio. Tuttavia, questi additivi per la sinterizzazione di ossidi portano allo stesso tempo alla densificazione, ma introducono anche un nuovo problema: la loro bassa conduttività termica e può causare cambiamenti di fase ai bordi del grano (come la formazione di una soluzione solida di SiAlON), hanno un effetto negativo sull'intero conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio.
Per superare questo problema, gli scienziati hanno iniziato a esplorare l'applicazione di additivi per sinterizzazione non contenenti ossidi. I non ossidi, come MgSiN2 e il fluoruro di terre rare, mostrano vantaggi unici. Non solo possono ridurre la fase secondaria e il contenuto di ossigeno reticolare del nitruro di silicio, ma promuovono anche la riduzione della fase al contorno del grano e la riduzione di SiO2 attraverso reazioni chimiche specifiche (come il fluoruro di terre rare che reagisce con SiO2 per produrre SiF4 volatile), quindi da ridurre efficacemente il contenuto di ossigeno reticolare e migliorare la conduttività termica. Tuttavia, l'applicazione commerciale degli additivi per sinterizzazione non ossidi deve ancora affrontare sfide e i loro costi elevati e i vincoli di fornitura ne limitano l'applicazione nella produzione su larga scala.
Strategia completa: additivi per sinterizzazione ossido + non-ossido
Alla luce di quanto sopra, una possibile soluzione è quella di adottare un sistema ausiliario di sinterizzazione del composito “ossido + non ossido”. Questa strategia mira a combinare i vantaggi di due tipi di additivi per sinterizzazione: gli additivi a base di ossido forniscono l'ambiente di sinterizzazione in fase liquida necessario per garantire la densificazione del materiale; Gli additivi non-ossidi riducono ulteriormente il contenuto di ossigeno reticolare e aumentano la conduttività termica attraverso le loro proprietà chimiche uniche. Attraverso un sistema di formulazione attentamente progettato, è possibile ottenere un controllo accurato del processo di sinterizzazione e delle prestazioni del prodotto finale, in modo da massimizzare la conduttività termica del substrato di nitruro di silicio garantendo al contempo l'efficienza produttiva.
In sintesi, l'ottimizzazione della conduttività termica del materiale del substrato in nitruro di silicio è un processo complesso che coinvolge molteplici fattori e strati. Comprendendo a fondo il meccanismo microscopico della vibrazione reticolare e della conduzione dei fononi, oltre a regolare con precisione il sistema di selezione e formulazione degli additivi per sinterizzazione, possiamo superare efficacemente il collo di bottiglia affrontato dai materiali in nitruro di silicio nel migliorare la conduttività termica. In futuro, con il continuo approfondimento della ricerca sulla scienza dei materiali e il continuo progresso della tecnologia, abbiamo motivo di credere che i materiali del substrato in nitruro di silicio mostreranno il loro fascino unico e le ampie prospettive di applicazione in più campi. Allo stesso tempo, ciò promuoverà anche l'innovazione tecnologica e il miglioramento industriale in campi correlati e contribuirà allo sviluppo sostenibile della società umana.
