In Spitzentechnologien wie Hochleistungs-Elektronikverpackungen, Luft- und Raumfahrt und Energieumwandlung werden Siliziumnitrid-Substratmaterialien (Si3N4) aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften, chemischen Stabilität und hohen Temperaturbeständigkeit hoch geschätzt. Allerdings war die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid als einer der Schlüsselfaktoren für seine breite Anwendung schon immer der Schwerpunkt und die Schwierigkeit der materialwissenschaftlichen Forschung. Ziel dieses Artikels ist es, die wichtigsten Wärmeübertragungsmechanismen von Siliziumnitridsubstraten, nämlich Gittervibration und Phononenleitung, eingehend zu untersuchen und den Einfluss der Auswahl- und Optimierungsstrategie von Sinteradditiven auf die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridsubstraten systematisch zu analysieren, um diese bereitzustellen theoretische Grundlagen und praktische Anleitung zur Verbesserung der Wärmemanagementeffizienz von Siliziumnitridsubstraten.
Ein tieferes Verständnis der Wärmeübertragungsmechanismen
Der wichtigste Wärmeübertragungsmechanismus von Siliziumnitrid, nämlich Gittervibration und Phononenleitung, ist ein komplexer und feiner Prozess. Die nichtlineare Ausbreitung und Kollision von Phononen im Gitter werden nicht nur durch die Kopplung zwischen den Gittern begrenzt, sondern auch stark von den internen Mikrostruktureigenschaften von Materialien beeinflusst. Insbesondere gibt es in Si3N4-Kristallen viele Defekte (wie Leerstellen, Versetzungen), Verunreinigungsatome und Korngrenzflächen, die als Zentrum der Phononenstreuung die mittlere freie Weglänge der Phononen erheblich reduzieren und somit zum Hauptengpass werden, der die Verbesserung begrenzt der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid. Gittersauerstoff als einer der wichtigsten Defekttypen erhöht nicht nur die Wahrscheinlichkeit der Phononenstreuung, sondern verursacht auch eine Gitterverzerrung, die die Wärmeleitungseffizienz weiter schwächt.
Optimierungsstrategie von Sinteradditiven
Angesichts der starken kovalenten Bindung von Siliziumnitrid und der Schwierigkeit der kompakten Sinterung durch Festphasendiffusion kommt der Auswahl und Anwendung von Sinteradditiven eine besondere Bedeutung zu. Traditionell werden Oxide wie MgO, Al2O3, CaO und Seltenerdoxide häufig als Sinteradditive verwendet, die das Sintern in der flüssigen Phase fördern, indem sie eutektische Schmelzen mit niedrigem Schmelzpunkt bilden und dadurch die Dichte von Siliziumnitrid erhöhen. Diese oxidischen Sinterzusätze bewirken jedoch gleichzeitig eine Verdichtung, bringen aber auch ein neues Problem mit sich: Ihre eigene geringe Wärmeleitfähigkeit und möglicherweise Phasenveränderungen an den Korngrenzen (z. B. die Bildung einer festen SiAlON-Lösung) wirken sich negativ auf das Gesamtbild aus Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken.
Um dieses Problem zu lösen, begannen Wissenschaftler, die Anwendung nichtoxidischer Sinteradditive zu erforschen. Nichtoxide wie MgSiN2 und Seltenerdfluorid weisen einzigartige Vorteile auf. Sie können nicht nur die Sekundärphase und den Gittersauerstoffgehalt von Siliziumnitrid reduzieren, sondern auch die Reduzierung der Korngrenzenphase und die Reduzierung von SiO2 durch spezifische chemische Reaktionen (z. B. Reaktion von Seltenerdfluorid mit SiO2 unter Bildung von flüchtigem SiF4) fördern um den Gittersauerstoffgehalt effektiv zu reduzieren und die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Die kommerzielle Anwendung nichtoxidischer Sinteradditive steht jedoch immer noch vor Herausforderungen, und ihre hohen Kosten und Lieferengpässe schränken ihre Anwendung in der Großserienproduktion ein.
Umfassende Strategie: oxidische + nichtoxidische Sinteradditive
Angesichts der obigen Analyse besteht eine mögliche Lösung darin, ein „Oxid + Nichtoxid“-Komposit-Sinterhilfssystem einzusetzen. Diese Strategie zielt darauf ab, die Vorteile zweier Arten von Sinteradditiven zu kombinieren: Oxidadditive sorgen für die notwendige Sinterumgebung in flüssiger Phase, um die Verdichtung des Materials sicherzustellen; Die nichtoxidischen Zusätze reduzieren den Gittersauerstoffgehalt weiter und erhöhen durch ihre einzigartigen chemischen Eigenschaften die Wärmeleitfähigkeit. Durch ein sorgfältig konzipiertes Formulierungssystem ist es möglich, den Sinterprozess und die Leistung des Endprodukts genau zu steuern, um die Wärmeleitfähigkeit des Siliziumnitridsubstrats zu maximieren und gleichzeitig die Produktionseffizienz sicherzustellen.
Zusammenfassend ist die Optimierung der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid-Substratmaterial ein komplexer Prozess, an dem mehrere Faktoren und Schichten beteiligt sind. Durch ein tiefes Verständnis des mikroskopischen Mechanismus der Gittervibration und der Phononenleitung sowie durch die präzise Regulierung des Auswahl- und Formulierungssystems von Sinteradditiven können wir den Engpass, mit dem Siliziumnitridmaterialien bei der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit konfrontiert sind, wirksam überwinden. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der materialwissenschaftlichen Forschung und dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie haben wir Grund zu der Annahme, dass Siliziumnitrid-Substratmaterialien in Zukunft ihren einzigartigen Charme und ihre breiten Anwendungsaussichten in mehr Bereichen zeigen werden. Gleichzeitig wird dies auch die technologische Innovation und die industrielle Modernisierung in verwandten Bereichen fördern und zur nachhaltigen Entwicklung der menschlichen Gesellschaft beitragen.
