Dans les technologies de pointe telles que les emballages électroniques hautes performances, l'aérospatiale et la conversion d'énergie, les substrats en nitrure de silicium (Si3N4) sont très appréciés pour leurs excellentes propriétés mécaniques, leur stabilité chimique et leur résistance aux températures élevées. Cependant, la conductivité thermique du nitrure de silicium, en tant que l’un des facteurs clés affectant son large application, a toujours été au centre et au centre des difficultés de la recherche en science des matériaux. Cet article vise à explorer en profondeur les principaux mécanismes de transfert de chaleur du substrat en nitrure de silicium, à savoir la vibration du réseau et la conduction des phonons, et à analyser systématiquement l'influence de la stratégie de sélection et d'optimisation des additifs de frittage sur la conductivité thermique du substrat en nitrure de silicium, afin de fournir Base théorique et conseils pratiques pour améliorer l'efficacité de la gestion thermique du substrat en nitrure de silicium.
Une compréhension plus approfondie des mécanismes de transfert de chaleur
Le principal mécanisme de transfert de chaleur du nitrure de silicium, à savoir la vibration du réseau et la conduction des phonons, est un processus complexe et délicat. La propagation non linéaire et la collision des phonons dans le réseau sont non seulement limitées par le couplage entre réseaux, mais également profondément affectées par les caractéristiques de la microstructure interne des matériaux. En particulier, de nombreux défauts (tels que des lacunes, des dislocations), des atomes d'impuretés et des interfaces de grains existent dans les cristaux Si3N4, qui, en tant que centre de diffusion des phonons, réduisent considérablement le libre parcours moyen des phonons, et deviennent ainsi le principal goulot d'étranglement limitant l'amélioration. de conductivité thermique du nitrure de silicium. L'oxygène du réseau, en tant que l'un des types de défauts les plus importants, augmente non seulement la probabilité de diffusion de phonons, mais provoque également une distorsion du réseau, ce qui affaiblit encore l'efficacité de la conduction thermique.
Stratégie d'optimisation des additifs de frittage
Compte tenu de la forte liaison covalente du nitrure de silicium et de la difficulté d’un frittage compact par diffusion en phase solide, le choix et l’application d’additifs de frittage sont particulièrement importants. Traditionnellement, des oxydes tels que MgO, Al2O3, CaO et les oxydes de terres rares sont largement utilisés comme additifs de frittage, qui favorisent le frittage en phase liquide en formant des masses eutectiques à bas point de fusion, augmentant ainsi la densité du nitrure de silicium. Cependant, ces additifs de frittage d'oxydes apportent en même temps une densification, mais introduisent également un nouveau problème : leur propre faible conductivité thermique et peut provoquer des changements de phase aux limites des grains (comme la formation d'une solution solide de SiAlON), avoir un effet négatif sur l'ensemble. conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium.
Afin de surmonter ce problème, les scientifiques ont commencé à explorer l’application d’additifs de frittage sans oxyde. Les non-oxydes, tels que le MgSiN2 et le fluorure de terres rares, présentent des avantages uniques. Ils peuvent non seulement réduire la teneur en oxygène de la phase secondaire et du réseau du nitrure de silicium, mais également favoriser la réduction de la phase limite des grains et la réduction du SiO2 grâce à des réactions chimiques spécifiques (telles que le fluorure de terres rares réagissant avec SiO2 pour produire du SiF4 volatil), ainsi afin de réduire efficacement la teneur en oxygène du réseau et d'améliorer la conductivité thermique. Cependant, l'application commerciale des additifs de frittage sans oxydes reste confrontée à des défis, et leurs coûts élevés et leurs contraintes d'approvisionnement limitent leur application dans la production à grande échelle.
Stratégie globale : additifs de frittage oxyde + non oxyde
Au vu de l'analyse ci-dessus, une solution possible consiste à adopter un système auxiliaire de frittage composite « oxyde + non-oxyde ». Cette stratégie vise à combiner les avantages de deux types d'additifs de frittage : les additifs oxydes fournissent l'environnement de frittage en phase liquide nécessaire pour assurer la densification du matériau ; Les additifs sans oxyde réduisent encore la teneur en oxygène du réseau et augmentent la conductivité thermique grâce à leurs propriétés chimiques uniques. Grâce à un système de formulation soigneusement conçu, il est possible d'obtenir un contrôle précis du processus de frittage et des performances du produit final, de manière à maximiser la conductivité thermique du substrat en nitrure de silicium tout en garantissant l'efficacité de la production.
En résumé, l’optimisation de la conductivité thermique du matériau de substrat en nitrure de silicium est un processus complexe impliquant plusieurs facteurs et couches. En comprenant profondément le mécanisme microscopique de la vibration du réseau et de la conduction des phonons, ainsi qu'en régulant avec précision le système de sélection et de formulation des additifs de frittage, nous pouvons efficacement surmonter le goulot d'étranglement auquel sont confrontés les matériaux en nitrure de silicium pour améliorer la conductivité thermique. À l'avenir, avec l'approfondissement continu de la recherche en science des matériaux et les progrès continus de la technologie, nous avons des raisons de croire que les substrats en nitrure de silicium montreront leur charme unique et leurs vastes perspectives d'application dans davantage de domaines. Dans le même temps, cela favorisera également l’innovation technologique et la modernisation industrielle dans les domaines connexes, et contribuera au développement durable de la société humaine.
