En explorant les matériaux de substrat en nitrure de silicium (Si3N4) en tant que noyau d'une solution de gestion thermique haute performance, notre compréhension de leurs mécanismes de transfert de chaleur est essentielle. On sait que le principal mécanisme de transfert de chaleur du nitrure de silicium repose sur la vibration du réseau, un processus qui transfère la chaleur à travers des porteurs de charge chauds quantifiés appelés phonons.
La propagation des phonons dans le réseau n'est pas un simple mouvement linéaire, mais est affectée par le couplage complexe entre le réseau, entraînant de fréquentes collisions entre les phonons, ce qui réduit considérablement le libre parcours moyen des phonons, c'est-à-dire le distance que les phonons peuvent parcourir librement entre deux collisions. Ce mécanisme affecte directement la conductivité thermique des matériaux en nitrure de silicium.
De plus, divers défauts, impuretés et interfaces de grains dans les cristaux Si3N4 deviennent les principales sources de diffusion des phonons. Ces événements de diffusion conduisent également à une diminution du libre parcours moyen des phonons, ce qui réduit la conductivité thermique globale du matériau. En particulier, l'oxygène du réseau, en tant que l'un des principaux défauts affectant la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium, entrave considérablement la propagation fluide des phonons et réduit l'efficacité de la conductivité thermique du matériau.
Pour relever ce défi et améliorer la conductivité thermique du substrat en nitrure de silicium, nous avons commencé à la source et nous sommes concentrés sur la réduction de la teneur en oxygène dans le réseau. Les stratégies spécifiques comprennent :
Optimiser la poudre de matière première
Choisir de la poudre de Si à faible teneur en oxygène comme matière première est la clé. La teneur en impuretés d'oxygène dans la matière première initiale est réduite grâce à un processus rigoureux de sélection et de prétraitement des matières premières. Par la suite, un processus de frittage nitruré en deux étapes est utilisé, dans lequel la poudre de Si est d'abord chauffée dans une atmosphère d'azote jusqu'à ce qu'elle soit proche de son point de fusion (1414°), de sorte qu'elle réagisse avec l'azote pour former un corps fritté poreux de Si3N4. Ce processus garantit une nitruration adéquate du Si tout en contrôlant la teneur en oxygène du nitrure de silicium nouvellement généré. Ensuite, le Si3N4 poreux a été fritté à haute température pour favoriser la croissance des grains et la fermeture des pores, et finalement le substrat céramique Si3N4 à haute densité, à faible teneur en oxygène et à haute conductivité thermique a été formé.
Frittage direct de poudre α-Si3N4 de haute pureté
Une autre façon consiste à utiliser de la poudre α-Si3N4 de haute pureté avec une très faible teneur en oxygène pour le frittage. Cette méthode évite le processus de conversion du Si en Si3N4 et utilise directement des poudres d'α-Si3N4 de haute pureté et de structure cristalline spécifique pour le frittage, réduisant ainsi la possibilité d'introduction d'impuretés d'oxygène. En contrôlant avec précision les paramètres de frittage tels que la température, l'atmosphère et la pression, des substrats en nitrure de silicium à haute densité, peu de défauts et une excellente conductivité thermique peuvent être obtenus.
Application au frittage du β-Si3N4
Bien que le β-Si3N4 puisse différer de l'α-Si3N4 dans certaines propriétés physiques, sa faible teneur en oxygène et sa haute pureté conviennent également à la préparation de substrats en nitrure de silicium haute performance. L'utilisation de poudre de β-Si3N4 pour le frittage peut également préparer des matériaux en nitrure de silicium à haute conductivité thermique, en particulier dans des scénarios d'application spécifiques, certaines caractéristiques du β-Si3N4 peuvent être plus avantageuses.
En résumé, le matériau de substrat en nitrure de silicium (Si3N4) est un composant clé d'une solution de gestion thermique haute performance, et l'optimisation de sa conductivité thermique est cruciale pour améliorer l'efficacité globale de la gestion thermique. En comprenant profondément le mécanisme de transfert de chaleur du nitrure de silicium, à savoir la vibration du réseau et le processus de conduction des phonons, nous réalisons que la diffusion des phonons est l'un des facteurs clés affectant la conductivité thermique. En particulier, les défauts d'oxygène dans le réseau, agissant comme principale source de diffusion, réduisent considérablement le libre parcours moyen des phonons, entravant ainsi la conduction efficace de la chaleur.
Pour surmonter ce défi, nous proposons diverses stratégies visant à réduire la teneur en oxygène dans le substrat en nitrure de silicium, améliorant ainsi sa conductivité thermique. De la sélection optimale de la poudre de matière première au frittage direct de poudre d'α-Si3N4 de haute pureté, en passant par l'application de frittage de β-Si3N4, chaque méthode vise à réduire l'introduction d'impuretés d'oxygène à la source et à atteindre une densité élevée et faible. état des défauts du matériau grâce à un contrôle précis du processus.
Les recherches futures se concentreront davantage sur l'exploration de processus de préparation du nitrure de silicium plus efficaces et sur une meilleure compréhension du mécanisme par lequel différentes structures cristallines et microstructures affectent la conductivité thermique du nitrure de silicium. Grâce à ces efforts, nous devrions développer des matériaux de substrat en nitrure de silicium présentant une conductivité thermique plus élevée et une résistance thermique plus faible, offrant ainsi un soutien solide à une gestion thermique haute performance dans les emballages électroniques, l'aérospatiale, la conversion d'énergie et d'autres domaines.
