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Em tecnologias de ponta, como embalagens eletrônicas de alto desempenho, aeroespacial e conversão de energia, os materiais de substrato de nitreto de silício (Si3N4) são altamente considerados por suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade química e resistência a altas temperaturas. No entanto, a condutividade térmica do nitreto de silício, como um dos principais fatores que afetam a sua ampla aplicação, sempre foi o foco e a dificuldade da pesquisa em ciência dos materiais. Este artigo visa explorar profundamente os principais mecanismos de transferência de calor do substrato de nitreto de silício, nomeadamente vibração de rede e condução de fônons, e analisar sistematicamente a influência da estratégia de seleção e otimização de aditivos de sinterização na condutividade térmica do substrato de nitreto de silício, a fim de fornecer base teórica e orientação prática para melhorar a eficiência do gerenciamento térmico do substrato de nitreto de silício.

Uma compreensão mais profunda dos mecanismos de transferência de calor

O principal mecanismo de transferência de calor do nitreto de silício, nomeadamente vibração de rede e condução de fônons, é um processo complexo e delicado. A propagação não linear e a colisão de fônons na rede não são apenas limitadas pelo acoplamento entre redes, mas também profundamente afetadas pelas características da microestrutura interna dos materiais. Em particular, existem muitos defeitos (como vagas, deslocamentos), átomos de impureza e interfaces de grãos em cristais de Si3N4, que, como centro de espalhamento de fônons, reduzem significativamente o caminho livre médio dos fônons e, assim, tornam-se o principal gargalo que limita a melhoria. da condutividade térmica do nitreto de silício. O oxigênio da rede, como um dos tipos de defeitos mais importantes, não apenas aumenta a probabilidade de espalhamento de fônons, mas também causa distorção da rede, o que enfraquece ainda mais a eficiência da condução de calor.

Estratégia de otimização de aditivos de sinterização

Tendo em vista a forte ligação covalente do nitreto de silício e a dificuldade de sinterização compacta por difusão em fase sólida, a seleção e aplicação de aditivos de sinterização são particularmente importantes. Tradicionalmente, óxidos como MgO, Al2O3, CaO e óxidos de terras raras são amplamente utilizados como aditivos de sinterização, que promovem a sinterização em fase líquida formando fundidos eutéticos de baixo ponto de fusão, aumentando assim a densidade do nitreto de silício. No entanto, estes aditivos de sinterização de óxido trazem densificação ao mesmo tempo, mas também introduzem um novo problema: sua própria baixa condutividade térmica e podem causar mudanças de fase nos limites dos grãos (como a formação de solução sólida de SiAlON), têm um efeito adverso no geral condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício.

Para superar este problema, os cientistas começaram a explorar a aplicação de aditivos de sinterização não óxidos. Os não óxidos, como MgSiN2 e fluoreto de terras raras, apresentam vantagens únicas. Eles podem não apenas reduzir o teor de oxigênio da fase secundária e da rede do nitreto de silício, mas também promover a redução da fase limite do grão e a redução do SiO2 por meio de reações químicas específicas (como fluoreto de terras raras reagindo com SiO2 para produzir SiF4 volátil), então para reduzir efetivamente o teor de oxigênio da rede e melhorar a condutividade térmica. No entanto, a aplicação comercial de aditivos de sinterização não óxidos ainda enfrenta desafios, e os seus elevados custos e restrições de fornecimento limitam a sua aplicação na produção em larga escala.

Estratégia abrangente: aditivos de sinterização óxido + não óxido

Diante da análise acima, uma possível solução é adotar um sistema auxiliar de sinterização de compósitos “óxido + não óxido”. Esta estratégia visa combinar as vantagens de dois tipos de aditivos de sinterização: os aditivos de óxido fornecem o ambiente de sinterização em fase líquida necessário para garantir a densificação do material; Os aditivos não-óxidos reduzem ainda mais o teor de oxigênio na rede e aumentam a condutividade térmica através de suas propriedades químicas exclusivas. Através de um sistema de formulação cuidadosamente projetado, é possível obter um controle preciso do processo de sinterização e do desempenho do produto final, de modo a maximizar a condutividade térmica do substrato de nitreto de silício e ao mesmo tempo garantir a eficiência da produção.

Em resumo, a otimização da condutividade térmica do material do substrato de nitreto de silício é um processo complexo que envolve múltiplos fatores e camadas. Ao compreender profundamente o mecanismo microscópico de vibração da rede e condução de fônons, bem como regular com precisão o sistema de seleção e formulação de aditivos de sinterização, podemos superar efetivamente o gargalo enfrentado pelos materiais de nitreto de silício na melhoria da condutividade térmica. No futuro, com o aprofundamento contínuo da investigação em ciência dos materiais e o progresso contínuo da tecnologia, temos razões para acreditar que os materiais de substrato de nitreto de silício mostrarão o seu encanto único e amplas perspectivas de aplicação em mais campos. Ao mesmo tempo, isto também promoverá a inovação tecnológica e a modernização industrial em áreas afins e contribuirá para o desenvolvimento sustentável da sociedade humana.