Alasan Kesenjangan Antara Konduktivitas Termal Praktis dan Teoretis Keramik Silikon Nitrida

Silikon nitrida (Si₃N₄) adalah bahan keramik struktural dengan konduktivitas termal intrinsik sekitar 320 W/(m·K), yang memiliki konduktivitas termal tinggi dan sifat mekanik yang luar biasa. Berkat stabilitasnya yang unggul pada suhu sekitar, Si₃N₄ telah menjadi bahan kemasan substrat keramik yang banyak digunakan untuk industri semikonduktor modern. Namun, terdapat perbedaan mencolok antara konduktivitas termal praktis Si₃N₄ dan nilai teoretisnya. Makalah ini mengeksplorasi faktor-faktor utama yang bertanggung jawab atas perbedaan tersebut.

1 Kisi Oksigen

Konduksi panas di Si₃N₄ sebagian besar diatur oleh transmisi fonon. Ketidaksempurnaan kisi termasuk kekosongan, kesalahan penumpukan, dan pengotor antar butir meningkatkan hamburan fonon dan menurunkan konduktivitas termal silikon nitrida.

Oksigen kisi berfungsi sebagai faktor penentu yang mengubah konduktivitas termal Si₃N₄. Setelah atom oksigen menembus kisi Si₃N₄, kekosongan silikon terbentuk, secara drastis memperpendek jalur bebas rata-rata fonon dan mengurangi konduktivitas termal. Untuk meningkatkan kinerja termal Si₃N₄, kandungan oksigen dalam bubuk mentah harus diminimalkan untuk mengoptimalkan aktivitas sintering, sementara ukuran partikel awal yang halus dipertahankan untuk memblokir kontaminasi oksigen ekstra.

Aditif sintering konvensional untukSi₃N₄merupakan sumber utama oksigen kisi lainnya. Aditif ini membentuk fase sekunder intergranular dengan konduktivitas termal umumnya di bawah 1 W/(m·K) dalam fase cair, sehingga merusak konduktivitas termal sebagian besar Si₃N₄. Penelitian yang ada menegaskan bahwa penggunaan aditif sintering oksida tanah jarang mengurangi kandungan oksigen kisi seiring dengan menurunnya jari-jari ionik unsur tanah jarang. Sintering suhu rendah lebih disukai untuk memangkas biaya produksi substrat keramik Si₃N₄ sekaligus mengamankan densifikasi penuh dan ukuran butiran yang diinginkan.

Selain itu, penambahan bubuk karbon pereduksi secara moderat akan menekan pembentukan fasa sekunder dan meningkatkan kemurnian kisi; karbon bebas yang berlebihan harus dihindari untuk mencapai peningkatan konduktivitas termal.

2 Struktur Kristal Silikon Nitrida

Silikon nitrida merupakan senyawa kovalen kuat dengan berat molekul 140,68. Dua polimorfnya yang lazim, α‑Si₃N₄ dan β‑Si₃N₄, keduanya termasuk dalam sistem kristal heksagonal. Mengingat keramik Si₃N₄ umumnya disinter di atas 1800 °C, β‑Si₃N₄ merupakan fase kristal dominan dalam komponen Si₃N₄ yang tersedia secara komersial.

(1) Kekuatan Pendorong Pertumbuhan Biji-bijian β‑Si₃N₄

Sisa α‑Si₃N₄ yang tidak tertransformasi yang tersisa selama transisi fase α‑ke‑β menimbulkan dampak negatif yang nyata pada konduktivitas termal. Oleh karena itu, transformasi fase lengkap dari α‑Si₃N₄ menjadi β‑Si₃N₄ sangat penting untuk memfasilitasi nukleasi dan pertumbuhan butir β‑Si₃N₄ guna meningkatkan konduktivitas termal.

(2) Morfologi Butir β‑Si₃N₄ Tumbuh

Konduktivitas termal meningkat tajam seiring bertambahnya ukuran butir β‑Si₃N₄, dan durasi anil yang diperpanjang semakin meningkatkan kemampuan perpindahan panas. Namun, ketika butiran tumbuh melampaui dimensi kritisnya, penambahan butiran kasar hanya akan membawa sedikit peningkatan terhadap kinerja termal.

3 Kepadatan Relatif

Kepadatan relatif memberikan pengaruh yang besar terhadap konduktivitas termal Si₃N₄. Porositas yang lebih tinggi menyebabkan penurunan konduktivitas termal yang nyata. Secara umum, keramik Si₃N₄ dengan konduktivitas termal tinggi memiliki kepadatan curah dan difusivitas termal yang tinggi, dan oksida tanah jarang memfasilitasi pembuatan silikon nitrida padat penuh. Sintering fase cair wajib dilakukan untuk mewujudkan pemadatan keramik silikon nitrida dan kepadatan akhir Si₃N₄ bervariasi berdasarkan parameter sintering dan metode pemrosesan yang berbeda. Oleh karena itu, pemilihan teknik sintering yang tepat sangat penting untuk pembuatan keramik Si₃N₄ dengan konduktivitas termal tinggi.

Semicorex menawarkan kualitas tinggispelat silikon nitridasuntuk proses oksidasi termal. Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Hubungi telepon #+86-13567891907

Email: penjualan@semicorex.com