Ragioni del divario tra conduttività termica pratica e teorica delle ceramiche al nitruro di silicio

Il nitruro di silicio (Si₃N₄) è un materiale ceramico strutturale con conduttività termica intrinseca di circa 320 W/(m·K), caratterizzato da elevata conduttività termica e proprietà meccaniche eccezionali. Grazie alla sua stabilità superiore a temperatura ambiente, il Si₃N₄ è diventato un materiale di imballaggio con substrato ceramico ampiamente adottato per la moderna industria dei semiconduttori. Tuttavia, esiste una notevole discrepanza tra la conduttività termica pratica del Si₃N₄ e il suo valore teorico. Questo articolo esplora i principali fattori responsabili di tale divergenza.

1 Reticolo di ossigeno

La conduzione del calore nel Si₃N₄ è governata prevalentemente dalla trasmissione dei fononi. Le imperfezioni del reticolo, inclusi posti vacanti, difetti di impilamento e impurità intergranulari, intensificano la dispersione dei fononi e degradano la conduttività termica del nitruro di silicio.

L'ossigeno reticolare funge da fattore decisivo che altera la conduttività termica del Si₃N₄. Dopo che gli atomi di ossigeno penetrano nel reticolo Si₃N₄, si formano posti vacanti di silicio, accorciando drasticamente il percorso libero medio del fonone e riducendo di conseguenza la conduttività termica. Per aumentare le prestazioni termiche del Si₃N₄, il contenuto di ossigeno nelle polveri grezze dovrebbe essere ridotto al minimo per ottimizzare l'attività di sinterizzazione, mentre le dimensioni fini delle particelle iniziali vengono mantenute per bloccare la contaminazione extra di ossigeno.

Additivi per sinterizzazione convenzionali perSi₃N₄sono un'altra importante fonte di ossigeno reticolare. Questi additivi formano fasi secondarie intergranulari con conduttività termica generalmente inferiore a 1 W/(m·K) all'interno della fase liquida, il che compromette la conduttività termica complessiva del Si₃N₄. La ricerca esistente conferma che l’adozione di additivi per la sinterizzazione di ossidi di terre rare riduce il contenuto di ossigeno nel reticolo man mano che il raggio ionico degli elementi delle terre rare diminuisce. La sinterizzazione a bassa temperatura è preferibile per ridurre i costi di produzione dei substrati ceramici Si₃N₄ garantendo al contempo la completa densificazione e la dimensione dei grani desiderabile.

Inoltre, un'aggiunta moderata di polvere di carbonio riducente sopprime la formazione della fase secondaria e migliora la purezza del reticolo; dovrebbe essere evitato un eccesso di carbonio libero per ottenere una conduttività termica elevata.

2 Struttura cristallina del nitruro di silicio

Il nitruro di silicio è un composto fortemente covalente con un peso molecolare di 140,68. I suoi due polimorfi prevalenti, α‑Si₃N₄ e β‑Si₃N₄, appartengono entrambi al sistema cristallino esagonale. Dato che le ceramiche Si₃N₄ vengono comunemente sinterizzate a temperature superiori a 1800 °C, il β‑Si₃N₄ costituisce la fase cristallina dominante nei componenti Si₃N₄ disponibili in commercio.

(1) Forza trainante per la crescita del grano β‑Si₃N₄

Il residuo α‑Si₃N₄ non trasformato che rimane durante la transizione di fase da α‑a‑β impone un impatto negativo pronunciato sulla conduttività termica. Pertanto, la completa trasformazione di fase da α‑Si₃N₄ a β‑Si₃N₄ è essenziale per facilitare la nucleazione e la crescita dei grani di β‑Si₃N₄ per una migliore conduttività termica.

(2) Morfologia dei cereali β‑Si₃N₄ coltivati

La conduttività termica aumenta notevolmente con l'aumento della dimensione del grano β‑Si₃N₄ e la durata prolungata della ricottura migliora ulteriormente la capacità di trasferimento del calore. Tuttavia, una volta che i grani crescono oltre una dimensione critica, un ulteriore ingrossamento dei grani apporta un miglioramento trascurabile alle prestazioni termiche.

3 Densità relativa

La densità relativa esercita un'influenza notevole sulla conduttività termica del Si₃N₄. Una maggiore porosità porta ad un evidente degrado della conduttività termica. In generale, le ceramiche Si₃N₄ ad alta conduttività termica possiedono elevata densità apparente e diffusività termica, e gli ossidi delle terre rare facilitano la fabbricazione di nitruro di silicio completamente denso. La sinterizzazione in fase liquida è obbligatoria per realizzare la densificazione della ceramica al nitruro di silicio e la densità finale di Si₃N₄varia in base a diversi parametri di sinterizzazione e metodi di lavorazione. Per questo motivo, la selezione di tecniche di sinterizzazione appropriate è fondamentale per la produzione di ceramiche Si₃N₄ ad alta conduttività termica.

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