질화 규소 세라믹은 강력한 공유 결합 화합물이기 때문에 열 전달은 밀도, 상 구성, 미세 구조 및 격자 산소와 같은 요인의 영향을 받는 격자 진동을 통해서만 완료될 수 있으며 질화 규소 세라믹의 실제 열전도도는 일반적으로 이론보다 훨씬 낮습니다. 이는 현재 질화 규소 기판 의 적용을 제한하는 가장 큰 병목 현상입니다 .
밀도 및 상 구성
일반적으로 세라믹의 기공이 줄어들면 미세구조가 더욱 촘촘해지기 때문에 재료 내 포논의 전도 경로가 더 연속적이어서 포논의 산란이 줄어듭니다. 따라서 질화규소 세라믹의 밀도를 최대한 높이는 것은 고열전도도의 질화규소 세라믹을 얻기 위한 전제조건이다.
질화규소 세라믹은 또한 열전도도에 더 큰 영향을 미치며, 질화규소는 α-Si3N4의 낮은 구조적 대칭성으로 인해 α 및 β 두 개의 결정상을 가지며, 셀에는 더 많은 공동이 있고 더 많은 불순물 이온을 수용할 수 있으며 산란 효과가 있습니다. 포논이 더 강해졌습니다. 또한 α-Si3N4의 산소 함량은 β-Si3N4의 산소 함량보다 훨씬 높으며 산소 불순물은 고용체 반응을 일으켜 실리콘 공극을 생성하고 포논 산란을 유발하여 열전도도 감소를 초래합니다. 액상 소결 공정에서는 α상이 점차 β상으로 변합니다. α상 함량에 비해 β상 함량이 증가함에 따라 질화규소 세라믹의 열전도율은 점차 증가합니다.
미세형태학
입자 크기, 입자 경계막 두께 및 유리상 함량은 질화규소의 열전도도에 중요한 영향을 미칩니다. 질화규소 세라믹의 액상 소결 중, 고온에서 표면의 첨가제와 SiO2의 반응에 의해 형성된 산화질소 화합물의 액상은 세라믹의 치밀화에 도움이 됩니다. 냉각 후 액상은 질화 규소 세라믹에 남아 열전도율은 매우 낮습니다. 형성된 유리상의 일부는 입계막의 형태로 존재하며 두께는 약 1~2nm입니다. 과잉 유리상의 또 다른 부분은 β-Si3N4의 긴 막대 입자의 접합부에서 유리 외피를 형성합니다. 열전도도가 낮은 입계상 함량이 높을수록 질화규소 세라믹의 열전도도는 낮아집니다.
또한 결정립 크기의 증가는 열전도도 향상에 도움이 되지만 결정립 크기가 임계값에 도달하면 결정립 크기의 증가는 질화규소의 열전도도 향상에 뚜렷한 영향을 미치지 않습니다. 따라서 질화규소의 비정상적인 결정립 성장을 촉진하기 위해 고온 소결 및 장기간의 열 보존을 통해서만 열전도도를 지속적으로 향상시킬 수 없으므로 보다 효과적인 다른 방법을 모색할 필요가 있습니다.
격자 산소 함량
다양한 소결 시스템에서 질화규소의 열전도도는 격자 산소 함량과 음의 상관관계가 있습니다. 오랫동안 연구자들은 질화규소의 열전도도를 향상시키기 위해 질화규소 고용체의 격자 산소 함량을 줄이는 데 주력해 왔습니다. 소결 온도를 높이고 고온 유지 시간을 연장함으로써 질화 규소는 점도가 낮은 액상에 완전히 용해 및 석출되어 격자 결함을 줄이고 입자 크기를 증가시킬 수 있으며 이는 질화 규소의 열전도도를 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 그에 따른 높은 비용은 고열 전도성 질화규소 기판의 대중화 및 적용에 도움이 되지 않습니다.
따라서 순도가 높고 산소 함량이 낮은 분말을 선택하고, 비산화물 소결 첨가제 등을 도입하여 액상의 조성을 조정할 수 있습니다. 산소 함량이 낮은 액상은 β-에서 격자 산소의 형성을 방해할 수 있습니다. Si3N4는 열전도율을 크게 향상시킵니다. 현재 격자 산소 함량이 낮은 질화규소 분말은 획기적인 발전을 이루지 못한 상황에서 해당 산화물 소결 첨가제 대신 비산화물을 사용하고 액상 조성을 조정하여 격자 산소 함량을 조절하는 경제적이고 효과적인 방법입니다. 질화 규소 세라믹의 열전도율.
