Como melhorar eficazmente a condutividade térmica do substrato de nitreto de silício

Jul 31 , 2024

 

Atualmente, o advento da terceira geração de semicondutores representados por SiC e GaN levou o módulo de potência a se desenvolver na direção da miniaturização, alta tensão, alta corrente e alta densidade de potência, o que gerará maior calor durante o uso, o que propõe requisitos rigorosos para o pacote de dissipação de calor do dispositivo. Na nova geração de módulos de alta potência, o substrato cerâmico  desempenha principalmente o papel de suporte de chip, isolamento elétrico e canal de condutividade térmica, e a cerâmica de nitreto de silício tornou-se um material de substrato de dissipação de calor com grande potencial de aplicação em virtude de suas vantagens de alta temperatura condutividade e altas propriedades mecânicas.

 substratos de nitreto de silício

Como obter substrato de nitreto de silício de alto desempenho  com propriedades mecânicas e condutividade térmica é uma das questões mais preocupantes na indústria atualmente. Devido ao baixo coeficiente de difusão dos átomos de Si e N no substrato cerâmico de nitreto de silício, a transformação de fase, o desenvolvimento de grãos e a densificação precisam ser alcançados por sinterização em fase líquida. Portanto, é uma forma eficaz de melhorar as propriedades mecânicas e térmicas da cerâmica de nitreto de silício para ajustar a fase líquida e a micromorfologia no processo de sinterização com aditivos de sinterização apropriados.

 

Tipos de AIDS de sinterização sem óxido

 

Fluoreto

Na solução de silicato, os átomos de flúor podem destruir a estrutura da rede de silicato e fazê-la se decompor, o que reduzirá a temperatura e a viscosidade da formação da fase líquida e promoverá a densificação da sinterização. Por exemplo, o uso de MgF2 em vez de MgO como agente de sinterização pode formar uma fase líquida a uma temperatura mais baixa, acelerar a densificação da cerâmica e aumentar o tamanho do grão com o aumento da adição de MgF2, o que pode efetivamente melhorar a condutividade térmica de cerâmica de nitreto de silício. Além disso, existem LiF, fluoreto de terras raras, fluoreto binário e assim por diante.

A curva temperatura-deslocamento da cerâmica Si3N4 foi preparada utilizando MgF2 e MgO como aditivos de sinterização

A curva temperatura-deslocamento da cerâmica Si3N4 foi preparada utilizando MgF2 e MgO como aditivos de sinterização

 

Os aditivos de sinterização de flúor evitam a introdução de átomos de oxigênio adicionais no sistema, reduzem a atividade do SiO2 na fase líquida e dificultam a formação de oxigênio na rede durante o processo de dissolução e precipitação. Ao mesmo tempo, a energia atômica do flúor reduz a viscosidade da fase líquida, ajuda a formar a fase líquida em baixa temperatura, promove o desenvolvimento de grãos β-Si3N4 de grande tamanho, e as cerâmicas de nitreto de silício preparadas têm baixo oxigênio na rede e baixo conteúdo de fase intercristalina de condutividade térmica e alta condutividade térmica da cerâmica. Porém, a volatilização excessiva do SiF4 aumentará a porosidade da cerâmica e reduzirá as propriedades mecânicas e a condutividade térmica, por isso é necessário controlar a quantidade adequada de adição.

 

Nitretos e compostos contendo nitrogênio

Metal nitride has good compatibility with silicon nitride ceramics, and is often used as a sintering assistant to prepare silicon nitride ceramic materials, which can enhance the thermal conductivity of silicon nitride ceramics and strengthen its mechanical properties. MgSiN2, as a potential high thermal conductivity ceramic, has attracted much attention as a sintering aid for silicon nitride ceramics in recent years. At high temperature, SiO2 on the surface of MgSiN2 and Si3N4 powder will form Mg-Si-O-N liquid phase and promote densification. In addition, a portion of Si and N atoms are separated out in the form of Si3N4 to optimize grain boundaries. In recent years, by using MgSiN2 instead of MgO, researchers have prepared silicon nitride ceramics with high thermal conductivity and excellent mechanical properties at lower sintering temperature and shorter holding time. Li Jiangtao's team from the Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences prepared MgSiN2 in batches through self-propagating sintering, laying a material foundation for the large-scale application of MgSiN2. It is expected to be used as an efficient sintering aid for silicon nitride ceramics with high thermal conductivity.

As cerâmicas de nitreto de silício com baixo teor de oxigênio na rede e alta condutividade térmica foram preparadas utilizando MgSiN2 como auxiliar de sinterização

The silicon nitride ceramics with low lattice oxygen content and high thermal conductivity were prepared by using MgSiN2 as sintering assistant

 

 

In addition, some researchers used solid phase reaction to synthesize a new non-oxide sintering agent Y2Si4N6C to replace Y2O3 as a sintering agent, which not only has low lattice oxygen content, but also weakened the scattering of phonons by intergranular phase and grain boundary film, which can greatly improve the thermal conductivity of silicon nitride ceramic substrate. However, the preparation process of Y2Si4N6C is complex, and it cannot be synthesized in large quantities for the time being, which limits its application.

 

Borides

The densified Si3N4 ceramics with LaB6 as the sintering agent do not introduce additional oxygen into the system, and can remove lattice oxygen through the dissolution precipitation process, improve the thermal conductivity of β-Si3N4 grains, and at the same time, the content of low thermal conductivity intercrystalline phases is less, the grain size is larger, and the phonon scattering between grains is weakened. This is because during the sintering process, B atoms enter the glass network, and the formed [BO3]- structural unit will replace the [SiO4]- structural unit in the original network, destroying the integrity of the glass network, reducing the liquid phase viscosity, and thus promoting low temperature sintering.

 

Silicides

It has been found that iron silicide (FeSix) has a certain regulatory effect on the phase transition and grain growth of silicon nitride ceramics. For example, FeSi2 can generate β-Si3N4 phase before the α-Si3N4 phase transition, providing nucleation and growth points for the later α-Si3N4 phase transition. It is helpful to regulate the phase transition and grain growth process in the sintering of silicon nitride ceramics. ZrSi2 can react with SiO2 on the surface of silicon nitride powder to produce ZrO2 and β-Si3N4 crystal seeds. In situ ZrO2 and MgO assistant form a low temperature eutectic liquid phase, which promotes ceramic densification and β-Si3N4 grain development through dissolution precipitation mechanism. Due to the consumption of SiO2 by ZrSi2, the oxygen content in the liquid phase is reduced, thereby impeding the generation of lattice oxygen dynamically and reducing lattice defects. In addition, Zr elements in the sintered body are precipitated in the form of ZrN (or ZrO2) phase, and there is no obvious amorphous grain boundary film between Si3N4 grains, which reduces the scattering of phonons at the grain boundaries. Thanks to the above three factors, the thermal conductivity of Si3N4 has been greatly improved. However, the difficulty of both thermal conductivity and mechanical properties limits the application of ZrSi2 as a sintering aid for high-conductivity silicon nitride ceramics.

 

Diagrama esquemático do mecanismo de densificação de cerâmica de nitreto de silício contendo aditivo ZrSi2-MgO

Schematic diagram of densification mechanism of silicon nitride ceramics containing ZrSi2-MgO additive

 

Hydrides and Metal Particles

Metal hydride is a commonly used oxygen consumption agent in powder metallurgy industry, which is decomposed into metal elements and H2 at high temperatures, H2 can remove the oxide layer on the surface of metal particles, and the highly active metal elements generated by decomposition play the role of absorbing impurity oxygen in the metal matrix, which can effectively improve the performance of metal products. Rare earth hydrides such as YH2 can reduce the activity of SiO2 in the liquid phase and facilitate the removal of lattice oxygen during dissolution precipitation. In addition, the "nitrogen-rich" liquid phase formed by the addition of YH2 is also conducive to the nucleation and development of β-Si3N4, and the grain size is significantly larger than that of Y2O3 additive system. However, excessive hydride makes the liquid viscosity too high, inhibits the densification process, and the fully developed β-Si3N4 grains cross to form a porous skeleton, which can not prepare high density silicon nitride ceramics. Therefore, it is still necessary to determine the optimal amount of rare earth hydride according to the oxygen content of α-Si3N4 raw material powder.

 

Ternary Layered Compound

The fracture toughness can be improved by introducing layered compounds into silicon nitride ceramic matrix through crack deflection, bridge and other mechanisms. In recent years, researchers have investigated the effect of layered compounds on the thermal conductivity of silicon nitride ceramics, and found that layered compounds can effectively improve the mechanical thermal properties of ceramics. YB2C2 can react with SiO2 on the surface of silicon nitride powder to reduce the liquid phase oxygen content and promote densification. The remaining YB2C2 layer improves the bending strength and fracture toughness of the ceramics through crack deflection mechanism.

 

Carbon, Silicon Sintering Additives

Carbon is widely used to remove oxygen impurities from ores because of its strong reducibility. In the study of silicon nitride, a small amount of carbon can promote α→β phase transition in silicon nitride sintering. Carbon thermal reduction deoxygenation can adjust the composition and properties of the liquid phase, and then regulate the relative rate of phase transition and densification, so that the silicon nitride ceramics with good morphology can be obtained without adding β-Si3N4 seed.

(a, c) Microestrutura da amostra após nitretação sem adição e (b, d) microestrutura da amostra após nitretação com pó enterrado contendo C (a, b) e microestrutura de nitreto de silício após ar

(a, c) Sample microstructure after nitriding without addition and (b, d) sample microstructure

after nitriding with buried powder containing C (a, b) and microstructure of silicon nitride after air

 

 

It is worth noting that the introduction of C needs to be controlled precisely in the sintering system of silicon nitride ceramics, the addition amount is too small, and the control effect of liquid phase is not good. Excessive addition will lead to residual SiC in the sample, which will adversely affect the density and electrical properties of silicon nitride ceramics. The results show that Si can also remove the surface oxide layer by silicothermal reduction reaction with SiO2. Unlike toner, which requires precise control of the amount of addition, excess Si is nitrided to Si3N4 in a nitrogen atmosphere, without the formation of harmful by-products.

 

The research of optimizing raw material powder of silicon nitride by carbothermal reduction and silicothermal reduction, and improving the performance of silicon nitride ceramics by means of liquid phase regulation provides a solution for the preparation of high thermal conductivity silicon nitride ceramics by using low-cost silicon nitride powders with high oxygen content.

 

Tendo em vista que os pós de nitreto de silício com baixo teor de oxigênio na rede ainda não fizeram um grande avanço, é uma maneira econômica e eficaz de melhorar a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício usando não-óxidos em vez dos correspondentes aditivos de sinterização de óxido e ajustando o líquido composição de fases. Com a otimização contínua do pó de matéria-prima de nitreto de silício, o desenvolvimento contínuo de novos aditivos de sinterização multifuncionais e a melhoria contínua dos processos de moldagem e sinterização, a produção em larga escala de substratos de Si3N4 de alta resistência e alta temperatura tornou-se um realidade, que dará um forte apoio ao desenvolvimento de dispositivos semicondutores de potência.

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