Ao explorar materiais de substrato de nitreto de silício (Si3N4) como núcleo para uma solução de gerenciamento térmico de alto desempenho, nossa compreensão de seus mecanismos de transferência de calor é crítica. Sabe-se que o principal mecanismo de transferência de calor do nitreto de silício depende da vibração da rede, um processo que transfere calor através de portadores de carga quente quantizados chamados fônons.
A propagação de fônons na rede não é um movimento linear simples, mas é afetada pelo acoplamento complexo entre a rede, resultando em colisões frequentes entre fônons, o que reduz significativamente o caminho livre médio dos fônons, ou seja, a média distância que os fônons podem viajar livremente entre duas colisões. Este mecanismo afeta diretamente a condutividade térmica dos materiais de nitreto de silício.
Além disso, vários defeitos, impurezas e interfaces de grãos em cristais de Si3N4 tornam-se as principais fontes de espalhamento de fônons. Esses eventos de espalhamento também levam a uma diminuição no caminho livre médio dos fônons, o que por sua vez reduz a condutividade térmica geral do material. Em particular, o oxigênio da rede, como um dos principais defeitos que afetam a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício, dificulta significativamente a propagação suave dos fônons e reduz a eficiência da condutividade térmica do material.
Para superar esse desafio e melhorar a condutividade térmica do substrato de nitreto de silício, começamos na fonte e nos concentramos na redução do teor de oxigênio na rede. Estratégias específicas incluem:
Otimizar o pó da matéria-prima
Escolher pó de Si com baixo teor de oxigênio como material de partida é a chave. O teor de impurezas de oxigênio na matéria-prima inicial é reduzido por meio de um rigoroso processo de triagem e pré-tratamento da matéria-prima. Posteriormente, é utilizado um processo de sinterização nitretada em duas etapas, no qual o pó de Si é primeiro aquecido em uma atmosfera de nitrogênio até próximo ao seu ponto de fusão (1414°C), de modo que reage com o nitrogênio para formar o corpo poroso sinterizado de Si3N4. Este processo garante a nitretação adequada do Si enquanto controla o teor de oxigênio no nitreto de silício recém-gerado. Em seguida, o Si3N4 poroso foi ainda sinterizado em alta temperatura para promover o crescimento dos grãos e o fechamento dos poros e, finalmente, o substrato cerâmico Si3N4 com alta densidade, baixo teor de oxigênio e alta condutividade térmica foi formado.
Sinterização direta de pó α-Si3N4 de alta pureza
Outra forma é usar pó de α-Si3N4 de alta pureza com baixíssimo teor de oxigênio para sinterização. Este método evita o processo de conversão de Si em Si3N4 e utiliza diretamente pós de α-Si3N4 com alta pureza e estrutura cristalina específica para sinterização, reduzindo a possibilidade de introdução de impurezas de oxigênio. Ao controlar com precisão os parâmetros de sinterização, como temperatura, atmosfera e pressão, podem ser obtidos substratos de nitreto de silício com alta densidade, poucos defeitos e excelente condutividade térmica.
Aplicação de sinterização de β-Si3N4
Embora β-Si3N4 possa diferir de α-Si3N4 em algumas propriedades físicas, seu baixo teor de oxigênio e alta pureza também são adequados para a preparação de substratos de nitreto de silício de alto desempenho. O uso de pó de β-Si3N4 para sinterização também pode preparar materiais de nitreto de silício de alta condutividade térmica, especialmente em cenários de aplicação específicos, algumas características do β-Si3N4 podem ser mais vantajosas.
Em resumo, o material do substrato nitreto de silício (Si3N4) é um componente chave de uma solução de gerenciamento térmico de alto desempenho, e a otimização de sua condutividade térmica é crucial para melhorar a eficiência geral do gerenciamento térmico. Ao compreender profundamente o mecanismo de transferência de calor do nitreto de silício, nomeadamente a vibração da rede e o processo de condução de fônons, percebemos que a dispersão de fônons é um dos principais fatores que afetam a condutividade térmica. Em particular, os defeitos de oxigênio na rede, atuando como a principal fonte de espalhamento, reduzem significativamente o caminho livre médio dos fônons, dificultando assim a condução efetiva de calor.
Para superar este desafio, propomos uma variedade de estratégias para reduzir o teor de oxigênio no substrato de nitreto de silício, melhorando assim a sua condutividade térmica. Desde a seleção ideal do pó da matéria-prima, passando pela sinterização direta do pó α-Si3N4 de alta pureza, até a aplicação de sinterização de β-Si3N4, cada método visa reduzir a introdução de impurezas de oxigênio na fonte e alcançar alta densidade e baixo status de defeito do material por meio do controle fino do processo.
A pesquisa futura se concentrará ainda mais na exploração de processos de preparação de nitreto de silício mais eficientes e na compreensão adicional do mecanismo pelo qual diferentes estruturas e microestruturas cristalinas afetam a condutividade térmica do nitreto de silício. Através desses esforços, espera-se que desenvolvamos materiais de substrato de nitreto de silício com maior condutividade térmica e menor resistência térmica, fornecendo forte suporte para gerenciamento térmico de alto desempenho em embalagens eletrônicas, aeroespacial, conversão de energia e outras áreas.
