Étant donné que les céramiques de nitrure de silicium sont des composés à liaison covalente forte, le transfert de chaleur ne peut être effectué que par la vibration du réseau, affectée par des facteurs tels que la densité, la composition des phases, la microstructure et l'oxygène du réseau. La conductivité thermique réelle des céramiques de nitrure de silicium est généralement bien inférieure à la valeur théorique. valeur, qui constitue actuellement le plus grand goulot d'étranglement limitant l'application de substrats en nitrure de silicium .
Densité et composition de phase
Généralement, étant donné que la réduction des pores dans les céramiques peut rendre la microstructure plus compacte, le chemin de conduction des phonons dans le matériau est plus continu, réduisant ainsi la diffusion des phonons. Par conséquent, augmenter autant que possible la densité des céramiques de nitrure de silicium est une condition préalable à l’obtention de céramiques de nitrure de silicium à haute conductivité thermique.
Les céramiques de nitrure de silicium ont également une plus grande influence sur la conductivité thermique, le nitrure de silicium a deux phases cristallines α et β, en raison de la faible symétrie structurelle de l'α-Si3N4, sa cellule a plus de cavités, peut accueillir plus d'ions d'impuretés, l'effet de diffusion de les phonons sont plus forts. De plus, la teneur en oxygène de l'α-Si3N4 est beaucoup plus élevée que celle du β-Si3N4, et les impuretés d'oxygène produiront des réactions en solution solide pour générer des lacunes de silicium, et provoqueront également une diffusion de phonons, ce qui entraînera une réduction de la conductivité thermique. Dans le procédé de frittage en phase liquide, la phase α se transforme progressivement en phase β. Avec l'augmentation de la teneur en phase β par rapport à la teneur en phase α, la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium augmente progressivement.
Micro-morphologie
La taille des grains, l’épaisseur du film limite des grains et la teneur en phase vitreuse ont des effets importants sur la conductivité thermique du nitrure de silicium. Lors du frittage en phase liquide des céramiques de nitrure de silicium, la phase liquide du composé d'oxyde d'azote formé par la réaction des additifs et du SiO2 en surface à haute température est propice à la densification de la céramique. Après refroidissement, la phase liquide restera dans la céramique de nitrure de silicium et la conductivité thermique est très faible. Une partie de la phase vitreuse formée existe sous la forme d'un film limite de grains, d'une épaisseur d'environ 1 à 2 nm ; Une autre partie de la phase vitreuse en excès forme une enveloppe de verre à la jonction des longs grains en bâtonnets de β-Si3N4. Plus la teneur en phase limite des grains avec une faible conductivité thermique est élevée, plus la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium est faible.
De plus, l'augmentation de la taille des grains est propice à l'amélioration de la conductivité thermique, mais lorsque la taille des grains atteint la valeur critique, l'augmentation de la taille des grains n'a pas d'effet évident sur l'amélioration de la conductivité thermique du nitrure de silicium. Par conséquent, ce n'est que grâce au frittage à haute température et à la conservation de la chaleur à long terme que la croissance anormale des grains du nitrure de silicium ne peut pas continuer à améliorer la conductivité thermique, il est nécessaire d'explorer d'autres moyens plus efficaces.
Teneur en oxygène du réseau
Dans différents systèmes de frittage, la conductivité thermique du nitrure de silicium est négativement corrélée à la teneur en oxygène de son réseau. Depuis longtemps, les chercheurs se concentrent sur la réduction de la teneur en oxygène du réseau d’une solution solide dans le nitrure de silicium afin d’améliorer la conductivité thermique du nitrure de silicium. En augmentant la température de frittage et en prolongeant le temps de maintien à haute température, le nitrure de silicium peut être entièrement dissous et précipité dans la phase liquide avec une viscosité plus faible, réduisant ainsi les défauts de réseau et augmentant la taille des grains, ce qui joue un rôle important dans l'amélioration de la conductivité thermique du nitrure de silicium. , mais le coût élevé qui en résulte n'est pas propice à la vulgarisation et à l'application de substrats en nitrure de silicium à haute conductivité thermique.
Par conséquent, la composition de la phase liquide peut être ajustée en sélectionnant une poudre de haute pureté et à faible teneur en oxygène, et en introduisant des additifs de frittage sans oxyde, etc. La phase liquide à faible teneur en oxygène peut empêcher la formation d'oxygène de réseau dans β- Si3N4, améliorant ainsi considérablement la conductivité thermique. À l'heure actuelle, dans le contexte d'une faible teneur en oxygène du réseau, la poudre de nitrure de silicium n'a pas fait de percée significative, c'est un moyen économique et efficace d'utiliser des non-oxydes au lieu des additifs de frittage d'oxyde correspondants et de réguler la teneur en oxygène du réseau en ajustant la composition de la phase liquide pour améliorer la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium.
