सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक की व्यावहारिक और सैद्धांतिक तापीय चालकता के बीच अंतर के कारण

सिलिकॉन नाइट्राइड (Si₃N₄) एक संरचनात्मक सिरेमिक सामग्री है जिसकी आंतरिक तापीय चालकता लगभग 320 W/(m·K) है, जिसमें उच्च तापीय चालकता और उत्कृष्ट यांत्रिक गुण हैं। परिवेश के तापमान पर अपनी बेहतर स्थिरता के कारण, Si₃N₄ आधुनिक सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए व्यापक रूप से अपनाया जाने वाला सिरेमिक सब्सट्रेट पैकेजिंग सामग्री बन गया है। हालाँकि, Si₃N₄ की व्यावहारिक तापीय चालकता और इसके सैद्धांतिक मूल्य के बीच एक उल्लेखनीय विसंगति मौजूद है। यह पेपर इस तरह के विचलन के लिए जिम्मेदार प्राथमिक कारकों की पड़ताल करता है।

1 जाली ऑक्सीजन

Si₃N₄ में ऊष्मा चालन मुख्य रूप से फोनन ट्रांसमिशन द्वारा नियंत्रित होता है। रिक्तियों, स्टैकिंग दोषों और अंतरकणीय अशुद्धियों सहित जाली की खामियां फोनन बिखरने को तेज करती हैं और सिलिकॉन नाइट्राइड की थर्मल चालकता को कम करती हैं।

लैटिस ऑक्सीजन Si₃N₄ तापीय चालकता को बदलने वाले एक निर्णायक कारक के रूप में कार्य करता है। ऑक्सीजन परमाणुओं के Si₃N₄ जाली में प्रवेश करने के बाद, सिलिकॉन रिक्तियां बनती हैं, जिससे फोनन का मतलब मुक्त पथ काफी छोटा हो जाता है और तदनुसार तापीय चालकता कम हो जाती है। Si₃N₄ के थर्मल प्रदर्शन को बढ़ावा देने के लिए, सिंटरिंग गतिविधि को अनुकूलित करने के लिए कच्चे पाउडर में ऑक्सीजन की मात्रा को कम किया जाना चाहिए, जबकि अतिरिक्त ऑक्सीजन संदूषण को रोकने के लिए बारीक प्रारंभिक कण आकार को बनाए रखा जाना चाहिए।

के लिए पारंपरिक सिंटरिंग योजकSi₃N₄जालीदार ऑक्सीजन का एक अन्य प्रमुख स्रोत हैं। ये योजक तरल चरण के भीतर आम तौर पर 1 W/(m·K) से कम तापीय चालकता के साथ अंतरग्रैनुलर माध्यमिक चरण बनाते हैं, जो Si₃N₄ की थोक तापीय चालकता को ख़राब करता है। मौजूदा शोध इस बात की पुष्टि करता है कि दुर्लभ-पृथ्वी ऑक्साइड सिंटरिंग एडिटिव्स को अपनाने से जाली ऑक्सीजन सामग्री कम हो जाती है क्योंकि दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की आयनिक त्रिज्या कम हो जाती है। पूर्ण घनत्व और वांछनीय अनाज के आकार को सुरक्षित करते हुए Si₃N₄ सिरेमिक सब्सट्रेट्स की उत्पादन लागत में कटौती करने के लिए कम तापमान वाले सिंटरिंग को प्राथमिकता दी जाती है।

इसके अलावा, कार्बन पाउडर को कम करने का मध्यम जोड़ द्वितीयक चरण के गठन को दबा देता है और जाली की शुद्धता में सुधार करता है; उच्च तापीय चालकता प्राप्त करने के लिए अत्यधिक मुक्त कार्बन से बचना चाहिए।

सिलिकॉन नाइट्राइड की 2 क्रिस्टल संरचना

सिलिकॉन नाइट्राइड 140.68 के आणविक भार के साथ एक दृढ़ता से सहसंयोजक यौगिक है। इसके दो प्रचलित बहुरूप, α‑Si₃N₄ और β‑Si₃N₄, दोनों हेक्सागोनल क्रिस्टल प्रणाली से संबंधित हैं। यह देखते हुए कि Si₃N₄ सिरेमिक को आमतौर पर 1800 डिग्री सेल्सियस से ऊपर पाप किया जाता है, β‑Si₃N₄ व्यावसायिक रूप से उपलब्ध Si₃N₄ घटकों में प्रमुख क्रिस्टलीय चरण का गठन करता है।

(1) β‑Si₃N₄ अनाज वृद्धि के लिए प्रेरक शक्ति

α‑to‑β चरण संक्रमण के दौरान शेष अपरिवर्तित α‑Si₃N₄ तापीय चालकता पर एक स्पष्ट नकारात्मक प्रभाव डालता है। इसलिए, बेहतर तापीय चालकता के लिए β‑Si₃N₄ के न्यूक्लियेशन और अनाज विकास को सुविधाजनक बनाने के लिए α‑Si₃N₄ से β‑Si₃N₄ तक पूर्ण चरण परिवर्तन आवश्यक है।

(2) विकसित β‑Si₃N₄ अनाज की आकृति विज्ञान

थर्मल चालकता β‑Si₃N₄ अनाज के आकार में वृद्धि के साथ स्पष्ट रूप से बढ़ती है, और विस्तारित एनीलिंग अवधि गर्मी हस्तांतरण क्षमता को और बढ़ाती है। हालाँकि, एक बार जब अनाज एक महत्वपूर्ण आयाम से आगे बढ़ जाता है, तो अतिरिक्त अनाज को मोटा करने से थर्मल प्रदर्शन में नगण्य सुधार होता है।

3 सापेक्ष घनत्व

सापेक्ष घनत्व Si₃N₄ तापीय चालकता पर एक प्रमुख प्रभाव डालता है। उच्च सरंध्रता से तापीय चालकता में स्पष्ट गिरावट आती है। सामान्य तौर पर, उच्च तापीय चालकता Si₃N₄ सिरेमिक में ऊंचा थोक घनत्व और तापीय प्रसार होता है, और दुर्लभ-पृथ्वी ऑक्साइड पूरी तरह से घने सिलिकॉन नाइट्राइड के निर्माण की सुविधा प्रदान करते हैं। सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के घनत्व का एहसास करने के लिए तरल-चरण सिंटरिंग अनिवार्य है और विभिन्न सिंटरिंग मापदंडों और प्रसंस्करण विधियों के तहत Si₃N₄ का अंतिम घनत्व भिन्न होता है। इस कारण से, उच्च-तापीय-चालकता वाले Si₃N₄ सिरेमिक के निर्माण के लिए उपयुक्त सिंटरिंग तकनीकों का चयन करना महत्वपूर्ण है।

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