Poiché le ceramiche al nitruro di silicio sono composti con forti legami covalenti, il trasferimento di calore può essere completato solo attraverso la vibrazione del reticolo, influenzata da fattori quali densità, composizione di fase, microstruttura e ossigeno reticolare, la conduttività termica effettiva delle ceramiche al nitruro di silicio è solitamente molto inferiore a quella teorica valore, che attualmente rappresenta il principale collo di bottiglia che limita l’applicazione dei substrati di nitruro di silicio .
Densità e composizione di fase
In generale, poiché la riduzione dei pori nella ceramica può rendere la microstruttura più compatta, il percorso di conduzione dei fononi nel materiale è più continuo, riducendo così la dispersione dei fononi. Pertanto, aumentare il più possibile la densità delle ceramiche di nitruro di silicio è un prerequisito per ottenere ceramiche di nitruro di silicio ad alta conduttività termica.
Le ceramiche al nitruro di silicio hanno anche una maggiore influenza sulla conduttività termica, il nitruro di silicio ha due fasi cristalline α e β, a causa della bassa simmetria strutturale di α-Si3N4, la sua cella ha più cavità, può ospitare più ioni impurità, l'effetto di diffusione di i fononi sono più forti. Inoltre, il contenuto di ossigeno di α-Si3N4 è molto superiore a quello di β-Si3N4 e le impurità di ossigeno produrranno reazioni in soluzione solida per generare posti vacanti di silicio e causeranno anche diffusione di fononi, che porterà alla riduzione della conduttività termica. Nel processo di sinterizzazione in fase liquida, la fase α viene gradualmente trasformata in fase β. Con l'aumento del contenuto della fase β rispetto al contenuto della fase α, la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio viene gradualmente aumentata.
Micromorfologia
La dimensione dei grani, lo spessore del film al contorno dei grani e il contenuto di fase vetrosa hanno effetti importanti sulla conduttività termica del nitruro di silicio. Durante la sinterizzazione in fase liquida delle ceramiche al nitruro di silicio, la fase liquida del composto di ossido di azoto formato dalla reazione degli additivi e SiO2 sulla superficie ad alta temperatura favorisce la densificazione della ceramica. Dopo il raffreddamento, la fase liquida rimarrà nella ceramica di nitruro di silicio e la conduttività termica sarà molto bassa. Parte della fase vetrosa formata esiste sotto forma di pellicola ai bordi dei grani, con uno spessore di circa 1~2 nm; Un'altra parte della fase vetrosa in eccesso forma un involucro vetroso alla giunzione dei lunghi grani bastoncini di β-Si3N4. Maggiore è il contenuto della fase al contorno del grano con bassa conduttività termica, minore è la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio.
Inoltre, l'aumento della dimensione del grano favorisce il miglioramento della conduttività termica, ma quando la dimensione del grano raggiunge il valore critico, l'aumento della dimensione del grano non ha alcun effetto evidente sul miglioramento della conduttività termica del nitruro di silicio. Pertanto, solo attraverso la sinterizzazione ad alta temperatura e la conservazione del calore a lungo termine per promuovere la crescita anomala dei grani del nitruro di silicio non è possibile continuare a migliorare la conduttività termica, è necessario esplorare altri modi più efficaci.
Contenuto di ossigeno nel reticolo
In diversi sistemi di sinterizzazione, la conduttività termica del nitruro di silicio è negativamente correlata al contenuto di ossigeno nel reticolo. Per molto tempo, i ricercatori si sono concentrati sulla riduzione del contenuto di ossigeno reticolare della soluzione solida nel nitruro di silicio per migliorare la conduttività termica del nitruro di silicio. Aumentando la temperatura di sinterizzazione ed estendendo il tempo di mantenimento ad alta temperatura, il nitruro di silicio può essere completamente disciolto e precipitato nella fase liquida con viscosità inferiore, riducendo i difetti reticolari e aumentando la dimensione del grano, il che svolge un ruolo importante nel migliorare la conduttività termica del nitruro di silicio , ma il conseguente costo elevato non è favorevole alla divulgazione e all'applicazione di substrati di nitruro di silicio ad alta conduttività termica.
Pertanto, la composizione della fase liquida può essere regolata selezionando una polvere con elevata purezza e basso contenuto di ossigeno e introducendo additivi di sinterizzazione non ossidanti, ecc. La fase liquida con basso contenuto di ossigeno può ostacolare la formazione di ossigeno reticolare in β- Si3N4, migliorando così significativamente la conduttività termica. Allo stato attuale, sullo sfondo del basso contenuto di ossigeno reticolare, la polvere di nitruro di silicio non ha fatto progressi significativi, è un modo economico ed efficace per utilizzare non-ossidi invece dei corrispondenti additivi di sinterizzazione dell'ossido e regolare il contenuto di ossigeno reticolare regolando la composizione della fase liquida per migliorare la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio.
