Como as cerâmicas de nitreto de silício são compostos de ligação covalente fortes, a transferência de calor só pode ser completada através da vibração da rede, afetada por fatores como densidade, composição de fase, microestrutura e oxigênio da rede, a condutividade térmica real da cerâmica de nitreto de silício é geralmente muito menor do que a teórica. valor, que é atualmente o maior gargalo que limita a aplicação de substratos de nitreto de silício .
Densidade e composição de fases
Geralmente, como a redução dos poros na cerâmica pode tornar a microestrutura mais compacta, o caminho de condução dos fônons no material é mais contínuo, reduzindo assim o espalhamento dos fônons. Portanto, aumentar ao máximo a densidade da cerâmica de nitreto de silício é um pré-requisito para a obtenção de cerâmica de nitreto de silício de alta condutividade térmica.
A cerâmica de nitreto de silício também tem maior influência na condutividade térmica, o nitreto de silício possui duas fases cristalinas α e β, devido à baixa simetria estrutural do α-Si3N4, sua célula possui mais cavidades, pode acomodar mais íons de impureza, o efeito de espalhamento de fônons é mais forte. Além disso, o teor de oxigênio de α-Si3N4 é muito maior que o de β-Si3N4, e as impurezas de oxigênio produzirão reações em solução sólida para gerar vacâncias de silício e também causarão espalhamento de fônons, o que levará à redução da condutividade térmica. No processo de sinterização em fase líquida, a fase α é gradualmente transformada em fase β. Com o aumento do conteúdo da fase β em relação ao conteúdo da fase α, a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício aumenta gradualmente.
Micromorfologia
O tamanho do grão, a espessura do filme limite do grão e o conteúdo da fase vítrea têm efeitos importantes na condutividade térmica do nitreto de silício. Durante a sinterização em fase líquida da cerâmica de nitreto de silício, a fase líquida do composto de óxido de nitrogênio formado pela reação dos aditivos e SiO2 na superfície em alta temperatura conduz à densificação da cerâmica. Após o resfriamento, a fase líquida permanecerá na cerâmica de nitreto de silício e a condutividade térmica será muito baixa. Parte da fase vítrea formada existe na forma de filme de contorno de grão, com espessura de cerca de 1 a 2 nm; Outra parte do excesso de fase vítrea forma um envelope de vidro na junção dos longos grãos de β-Si3N4. Quanto maior o conteúdo da fase limite do grão com baixa condutividade térmica, menor será a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício.
Além disso, o aumento do tamanho do grão conduz à melhoria da condutividade térmica, mas quando o tamanho do grão atinge o valor crítico, o aumento do tamanho do grão não tem efeito óbvio na melhoria da condutividade térmica do nitreto de silício. Portanto, somente através da sinterização em alta temperatura e da preservação do calor a longo prazo para promover o crescimento anormal de grãos de nitreto de silício não pode continuar a melhorar a condutividade térmica, é necessário explorar outras formas mais eficazes.
Conteúdo de oxigênio na rede
Em diferentes sistemas de sinterização, a condutividade térmica do nitreto de silício está negativamente correlacionada com o seu teor de oxigênio na rede. Por muito tempo, os pesquisadores têm se concentrado na redução do teor de oxigênio da rede da solução sólida em nitreto de silício para melhorar a condutividade térmica do nitreto de silício. Ao aumentar a temperatura de sinterização e prolongar o tempo de retenção em alta temperatura, o nitreto de silício pode ser totalmente dissolvido e precipitado na fase líquida com menor viscosidade, reduzindo defeitos de rede e aumentando o tamanho do grão, o que desempenha um papel importante na melhoria da condutividade térmica do nitreto de silício , mas o alto custo resultante não conduz à popularização e aplicação de substratos de nitreto de silício de alta condutividade térmica.
Portanto, a composição da fase líquida pode ser ajustada selecionando um pó com alta pureza e baixo teor de oxigênio, e introduzindo aditivos de sinterização não óxidos, etc. A fase líquida com baixo teor de oxigênio pode dificultar a formação de oxigênio reticular em β- Si3N4, melhorando significativamente a condutividade térmica. Atualmente, no contexto do pó de nitreto de silício com baixo teor de oxigênio na rede, não houve avanços significativos, é uma maneira econômica e eficaz de usar não-óxidos em vez dos aditivos de sinterização de óxido correspondentes e regular o teor de oxigênio na rede ajustando a composição da fase líquida para melhorar a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício.
