고성능 전자 패키징, 항공우주 및 에너지 변환과 같은 첨단 기술에서 질화규소(Si3N4) 기판 소재는 우수한 기계적 특성, 화학적 안정성 및 고온 저항성으로 높은 평가를 받고 있습니다. 그러나 광범위한 적용에 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나인 질화규소의 열전도도는 항상 재료 과학 연구의 초점이자 어려움이었습니다. 본 논문은 질화규소 기판의 주요 열전달 메커니즘인 격자 진동과 포논 전도를 심층적으로 탐구하고, 소결 첨가제의 선택 및 최적화 전략이 질화규소 기판의 열전도도에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 다음을 제공하는 것을 목표로 합니다. 질화규소 기판의 열관리 효율 향상을 위한 이론적 근거와 실무적 지침.
열전달 메커니즘에 대한 깊은 이해
질화규소의 주요 열전달 메커니즘, 즉 격자 진동과 포논 전도는 복잡하고 미세한 과정입니다. 격자 내 포논의 비선형 전파 및 충돌은 격자간 결합에 의해 제한될 뿐만 아니라 재료의 내부 미세 구조 특성에 의해 깊은 영향을 받습니다. 특히, Si3N4 결정에는 많은 결함(공극, 전위 등), 불순물 원자 및 입자 계면이 존재하며, 이는 포논 산란의 중심으로서 포논의 평균 자유 경로를 크게 감소시켜 개선을 제한하는 주요 병목 현상이 됩니다. 질화규소 열전도율. 가장 중요한 결함 유형 중 하나인 격자 산소는 포논 산란 가능성을 증가시킬 뿐만 아니라 격자 왜곡을 유발하여 열 전도 효율을 더욱 약화시킵니다.
소결첨가제 최적화 전략
질화규소의 강한 공유결합과 고상 확산을 통한 치밀한 소결의 어려움을 고려하여 소결 첨가제의 선택과 적용이 특히 중요합니다. 전통적으로 MgO, Al2O3, CaO 및 희토류 산화물과 같은 산화물은 소결 첨가제로 널리 사용되었으며, 이는 저융점 공융 용융물을 형성하여 액상 소결을 촉진하여 질화규소의 밀도를 증가시킵니다. 그러나 이러한 산화물 소결 첨가제는 동시에 치밀화를 가져올 뿐만 아니라 새로운 문제도 야기합니다. 즉, 자체의 낮은 열 전도성과 결정립계 상 변화(예: SiAlON 고용체 형성)를 유발할 수 있어 전체에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 질화규소 세라믹의 열전도율
이 문제를 극복하기 위해 과학자들은 비산화물 소결 첨가제의 적용을 탐구하기 시작했습니다. MgSiN2 및 희토류 불화물과 같은 비산화물은 독특한 장점을 보여줍니다. 이는 질화규소의 2차 상 및 격자 산소 함량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 특정 화학 반응(예: 희토류 불화물이 SiO2와 반응하여 휘발성 SiF4를 생성함)을 통해 결정 경계 상의 감소 및 SiO2의 환원을 촉진하므로 격자 산소 함량을 효과적으로 줄이고 열전도율을 향상시킵니다. 그러나 비산화물 소결 첨가제의 상업적 적용은 여전히 어려움에 직면해 있으며 높은 비용과 공급 제약으로 인해 대규모 생산에 적용하는 데 제한이 있습니다.
종합 전략: 산화물 + 비산화물 소결 첨가제
위의 분석을 고려하여 가능한 해결책은 "산화물 + 비산화물" 복합 소결 보조 시스템을 채택하는 것입니다. 이 전략은 두 가지 유형의 소결 첨가제의 장점을 결합하는 것을 목표로 합니다. 산화물 첨가제는 재료의 치밀화를 보장하는 데 필요한 액상 소결 환경을 제공합니다. 비산화물 첨가제는 독특한 화학적 특성을 통해 격자 산소 함량을 더욱 감소시키고 열전도율을 높입니다. 신중하게 설계된 배합 시스템을 통해 소결 공정과 최종 제품의 성능을 미세하게 제어하여 질화규소 기판의 열전도도를 최대화하는 동시에 생산 효율성을 보장할 수 있습니다.
요약하면, 질화규소 기판 재료의 열전도도 최적화는 여러 요소와 층을 포함하는 복잡한 프로세스입니다. 격자 진동 및 포논 전도의 미세한 메커니즘을 깊이 이해하고 소결 첨가제의 선택 및 배합 시스템을 정확하게 조절함으로써 열전도도 향상에 있어 질화규소 재료가 직면하는 병목 현상을 효과적으로 극복할 수 있습니다. 미래에는 재료 과학 연구가 지속적으로 심화되고 기술이 지속적으로 발전함에 따라 질화 규소 기판 재료가 더 많은 분야에서 독특한 매력과 광범위한 응용 전망을 보여줄 것이라고 믿을 이유가 있습니다. 동시에 이는 관련 분야의 기술 혁신과 산업 고도화를 촉진하고 인류 사회의 지속 가능한 발전에 기여할 것입니다.
