Nei campi dei dispositivi di alimentazione a semiconduttore, nuovi veicoli energetici e aerospaziale, i substrati ceramici di nitruro di silicio (Si₃n₄) sono emersi come "star giocatore" nei materiali di imballaggio di prossima generazione a causa della loro alta resistenza, resistenza ad alta temperatura e eccellente conduttività termica. Tuttavia, la conduttività termica di questo materiale non è distribuita uniformemente; Presenta differenze significative in varie direzioni, note come "anisotropia". Questa caratteristica è sia un vantaggio che una sfida nelle applicazioni pratiche. Questo articolo analizzerà l'essenza della conduttività termica anisotropica della ceramica di nitruro di silicio dalle prospettive della struttura cristallina, dei meccanismi di trasporto di fononi e dei processi di fabbricazione ed esplorare le sue applicazioni in contesti industriali.
1. L'origine fisica della conduttività termica anisotropica nella ceramica di nitruro di silicio
La conduttività termica della ceramica di nitruro di silicio è strettamente correlata alla loro struttura cristallina. Il nitruro di silicio esiste in due fasi cristalline primarie: fase α e β. Tra questi, β-Si₃n₄, con la sua più elevata simmetria e una struttura più stabile, è il componente principale della ceramica ad alta conducibilità termica. La cellula unitaria di β-Si₃n₄ ha una struttura esagonale, in cui gli atomi di silicio (SI) e azoto (N) sono collegati da forti legami covalenti, formando una disposizione a strati. Questa struttura si traduce in differenze significative nella velocità di propagazione dei fononi (quanti di vibrazioni reticolari) in diverse direzioni. I calcoli teorici mostrano che la conduttività termica teorica dei singoli cristalli β-Si₃n₄ lungo l'asse C (perpendicolare agli strati atomici) può raggiungere fino a 450 W/(m · k), mentre lungo l'asse A (parallelo agli strati atomici), è solo 170 W/(m · k). Questa differenza deriva dall'efficienza di scattering dei fononi in diverse direzioni cristallografiche: lungo l'asse C, la disposizione atomica è più densa, fornendo un percorso di trasporto fonone più continuo con una probabilità di scattering inferiore; Mentre lungo l'asse A, le deboli interazioni tra gli strati atomici portano a una maggiore dispersione di fononi ai confini del grano o ai difetti.
Tuttavia, la conduttività termica della ceramica di nitruro di silicio policristallino effettivo è molto inferiore ai valori teorici. Ad esempio, i substrati commerciali presentano in genere conduttività termiche di 80-120 W/(m · k), mentre i campioni ottimizzati in laboratorio possono raggiungere fino a 177 p/m · k). Questo divario è causato principalmente da difetti microstrutturali nei materiali policristallini, tra cui fasi di confine del grano, pori, impurità (come ossigeno e alluminio) e disposizioni di grano disordinate.
2. Orientamento del grano per conducibilità termica migliorata
Per sfruttare appieno il potenziale di conducibilità termica di β-Si₃n₄, gli scienziati hanno tentato di controllare la microstruttura della ceramica policristallina attraverso tecniche di orientamento del grano. L'idea principale è quella di allineare i grani β-Si₃n₄ simili a basi lungo l'asse C, raggiungendo così un'elevata conduttività termica in una direzione specifica su scala macroscopica.
2.1 Formazione assistita da campo magnetico
I grani β-Si₃n₄ mostrano anisotropia magnetica, il che significa che la loro suscettibilità magnetica varia lungo diversi assi cristallografici. Utilizzando questa proprietà, un campo magnetico forte (in genere 10-12 T) può essere applicato durante i processi di fusione a nastro o fusione di slip per costringere i grani a ruotare e allineare lungo la direzione del campo magnetico. Gli esperimenti mostrano che i campioni preparati con l'allineamento del campo magnetico possono ottenere una conduttività termica di 155 W/(m · k) lungo l'asse C, mentre la direzione perpendicolare raggiunge solo 52 W/(m · k). Questa differenza riflette direttamente la natura anisotropica del materiale.
2.2 Crescita indotta da semi
Un'altra strategia prevede l'aggiunta di semi β-si₃n₄. Questi semi fungono da modelli, guidando la crescita di nuovi grani lungo direzioni specifiche durante la sinterizzazione. Ad esempio, l'aggiunta dello 0,5% in peso di semi β-Si₃n₄ può aumentare la conducibilità termica da 77 W/(M · K) a 106 W/M · K). Tuttavia, l'introduzione di semi può complicare il processo di sinterizzazione, che richiede alte temperature (1900 ° C) e alta pressione (azoto da 10 MPa) per raggiungere la densificazione.
Nonostante le scoperte in ambito di laboratorio, la produzione su larga scala deve affrontare sfide. L'elevato costo delle attrezzature del campo magnetico e la complessità dei processi a base di semi limitano la loro applicazione industriale.
3. Ottimizzazione delle prestazioni in applicazioni pratiche
La conduttività termica anisotropica della ceramica di nitruro di silicio è sia un vantaggio che una sfida di progettazione. Ad esempio, nei moduli di potenza a semiconduttore, i substrati richiedono un'elevata conduttività termica nella direzione verticale (dal chip al dissipatore di calore) per un'efficace dissipazione del calore, mentre contemporaneamente richiede un coefficiente di espansione termica nella direzione orizzontale che corrisponde al materiale del chip (EG, SIC) per evitare lo stress termico. Questa contraddizione costringe gli ingegneri a cercare un equilibrio nella progettazione e nella lavorazione dei materiali.
3.1 Controllo della fase del confine del grano
L'aggiunta di AIDS di sinterizzazione (ad es. Y₂O₃-MGO) promuove la densificazione ma forma fasi di confine del grano a bassa conduttività-conduttività (ad es. Silicon ossinitruri). La ricerca mostra che l'ottimizzazione della composizione degli aiuti alla sinterizzazione (ad es. Usando MGSIN₂ anziché MGO) può ridurre il contenuto di fase al contorno del grano a meno del 5%, migliorando così la conducibilità termica.
3.2 Controllo dell'impurità dell'ossigeno
L'ossigeno reticolare è una delle principali fonti di dispersione di fononi. Le materie prime ad alta purezza (contenuto di ossigeno <1%in peso) e un'atmosfera di sinterizzazione riducente (ad es. Gas misto di azoto-idrogeno) possono ridurre efficacemente le impurità di ossigeno, aumentando la conduttività termica di circa il 20%.
4. Direzioni future per migliorare la conduttività termica
Le future direzioni di ricerca per migliorare ulteriormente la conduttività termica della ceramica di nitruro di silicio includono:
Progettazione di nanostrutture: introducendo le dimensioni del grano a gradiente o interfacce eterogenee, è possibile ottimizzare i percorsi di trasporto dei fononi.
Sviluppo della ceramica composita: combinazione con materiali ad alta conducività (ad es. Grafene) per rompere i limiti di prestazione della ceramica monofase.
Controllare con precisione la conduttività termica anisotropica della ceramica di nitruro di silicio è sia una sfida fondamentale nella scienza dei materiali sia una svolta chiave per le applicazioni industriali. Dal design della struttura cristallina a livello atomico al controllo macroscopico dell'orientamento del grano, si prevede che la ceramica di nitruro di silicio si avvicini alla loro conduttività termica teorica lungo l'asse C, aprendo la strada a applicazioni più ampie in elettronica ad alta potenza, comunicazioni 5G, veicoli elettrici e oltre.
