Nell'esplorare i materiali substrato in nitruro di silicio (Si3N4) come nucleo di una soluzione di gestione termica ad alte prestazioni, la nostra comprensione dei loro meccanismi di trasferimento del calore è fondamentale. È noto che il principale meccanismo di trasferimento del calore del nitruro di silicio si basa sulla vibrazione del reticolo, un processo che trasferisce il calore attraverso portatori di carica calda quantizzati chiamati fononi.
La propagazione dei fononi nel reticolo non è un semplice movimento lineare, ma è influenzata dal complesso accoppiamento tra il reticolo, con conseguenti frequenti collisioni tra fononi, che riducono significativamente il cammino libero medio dei fononi, cioè il cammino medio distanza che i fononi possono percorrere liberamente tra due collisioni. Questo meccanismo influenza direttamente la conduttività termica dei materiali in nitruro di silicio.
Inoltre, vari difetti, impurità e interfacce dei grani nei cristalli Si3N4 diventano le principali fonti di dispersione dei fononi. Questi eventi di dispersione portano anche ad una diminuzione del percorso libero medio dei fononi, che a sua volta riduce la conduttività termica complessiva del materiale. In particolare, l'ossigeno reticolare, essendo uno dei principali difetti che influenzano la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio, ostacola in modo significativo la propagazione regolare dei fononi e riduce l'efficienza della conduttività termica del materiale.
Per superare questa sfida e migliorare la conduttività termica del substrato di nitruro di silicio, siamo partiti dalla fonte e ci siamo concentrati sulla riduzione del contenuto di ossigeno nel reticolo. Le strategie specifiche includono:
Ottimizza la polvere di materia prima
La chiave è scegliere la polvere di Si con un basso contenuto di ossigeno come materiale di partenza. Il contenuto di impurità di ossigeno nella materia prima iniziale viene ridotto attraverso un rigoroso processo di screening e pretrattamento della materia prima. Successivamente, viene utilizzato un processo di sinterizzazione nitrurato in due fasi, in cui la polvere di Si viene prima riscaldata in un'atmosfera di azoto fino a raggiungere il suo punto di fusione (1414°C), in modo che reagisca con l'azoto per formare un corpo sinterizzato poroso Si3N4. Questo processo garantisce un'adeguata nitrurazione del Si controllando al contempo il contenuto di ossigeno nel nitruro di silicio appena generato. Quindi, il Si3N4 poroso è stato ulteriormente sinterizzato ad alta temperatura per favorire la crescita dei grani e la chiusura dei pori, e infine si è formato il substrato ceramico Si3N4 ad alta densità, basso contenuto di ossigeno ed elevata conduttività termica.
Sinterizzazione diretta di polvere α-Si3N4 ad elevata purezza
Un altro modo è utilizzare polvere α-Si3N4 ad elevata purezza con un contenuto di ossigeno molto basso per la sinterizzazione. Questo metodo evita il processo di conversione da Si a Si3N4 e utilizza direttamente polveri α-Si3N4 con elevata purezza e struttura cristallina specifica per la sinterizzazione, riducendo la possibilità di introduzione di impurità di ossigeno. Controllando con precisione i parametri di sinterizzazione come temperatura, atmosfera e pressione, è possibile ottenere substrati di nitruro di silicio ad alta densità, pochi difetti ed eccellente conduttività termica.
Applicazione di sinterizzazione di β-Si3N4
Sebbene β-Si3N4 possa differire da α-Si3N4 in alcune proprietà fisiche, il suo basso contenuto di ossigeno e l'elevata purezza sono adatti anche per la preparazione di substrati di nitruro di silicio ad alte prestazioni. L'uso della polvere β-Si3N4 per la sinterizzazione può anche preparare materiali di nitruro di silicio ad alta conducibilità termica, soprattutto in scenari applicativi specifici, alcune caratteristiche di β-Si3N4 possono essere più vantaggiose.
In sintesi, il materiale del substrato in nitruro di silicio (Si3N4) è un componente chiave di una soluzione di gestione termica ad alte prestazioni e l'ottimizzazione della sua conduttività termica è fondamentale per migliorare l'efficienza complessiva della gestione termica. Comprendendo a fondo il meccanismo di trasferimento del calore del nitruro di silicio, vale a dire la vibrazione del reticolo e il processo di conduzione dei fononi, ci rendiamo conto che la diffusione dei fononi è uno dei fattori chiave che influenzano la conduttività termica. In particolare, i difetti di ossigeno nel reticolo, agendo come principale fonte di scattering, riducono significativamente il percorso libero medio dei fononi, ostacolando così l'efficace conduzione del calore.
Per superare questa sfida, proponiamo una varietà di strategie per ridurre il contenuto di ossigeno nel substrato di nitruro di silicio, migliorandone così la conduttività termica. Dalla selezione ottimale della polvere di materia prima, alla sinterizzazione diretta della polvere di α-Si3N4 ad elevata purezza, all'applicazione di sinterizzazione di β-Si3N4, ciascun metodo mira a ridurre l'introduzione di impurità di ossigeno alla fonte e ottenere un'elevata densità e un basso stato di difetto del materiale attraverso un controllo accurato del processo.
La ricerca futura si concentrerà ulteriormente sull'esplorazione di processi di preparazione del nitruro di silicio più efficienti e sulla comprensione approfondita del meccanismo mediante il quale diverse strutture cristalline e microstruttura influenzano la conduttività termica del nitruro di silicio. Attraverso questi sforzi, ci si aspetta che sviluppiamo materiali di substrato in nitruro di silicio con maggiore conduttività termica e minore resistenza termica, fornendo un forte supporto per la gestione termica ad alte prestazioni negli imballaggi elettronici, nell'aerospaziale, nella conversione di energia e in altri campi.
