고성능 열 관리 솔루션의 핵심인 질화규소(Si3N4) 기판 재료를 탐색할 때 열 전달 메커니즘에 대한 이해가 중요합니다. 질화규소의 주요 열 전달 메커니즘은 포논이라고 불리는 양자화된 핫 전하 캐리어를 통해 열을 전달하는 프로세스인 격자 진동에 의존하는 것으로 알려져 있습니다.
격자 내에서 포논의 전파는 단순한 선형 운동이 아니라 격자 사이의 복잡한 결합의 영향을 받아 포논 간의 빈번한 충돌이 발생하여 포논의 평균 자유 경로, 즉 평균 두 번의 충돌 사이에서 포논이 자유롭게 이동할 수 있는 거리. 이 메커니즘은 질화규소 재료의 열전도도에 직접적인 영향을 미칩니다.
또한, Si3N4 결정의 다양한 결함, 불순물 및 입자 계면은 포논 산란의 주요 원인이 됩니다. 이러한 산란 현상은 또한 포논의 평균 자유 경로를 감소시켜 결과적으로 재료의 전체 열전도도를 감소시킵니다. 특히 질화규소 세라믹의 열전도도에 영향을 미치는 주요 결함 중 하나인 격자 산소는 포논의 원활한 전파를 크게 방해하고 재료의 열전도 효율을 감소시킨다.
이 문제를 극복하고 질화 규소 기판의 열전도도를 향상시키기 위해 우리는 소스에서 시작하여 격자의 산소 함량을 줄이는 데 중점을 두었습니다. 구체적인 전략은 다음과 같습니다:
원료분말 최적화
산소 함량이 낮은 Si 분말을 출발 물질로 선택하는 것이 핵심입니다. 엄격한 원료 선별 및 전처리 공정을 통해 초기 원료의 산소 불순물 함량을 감소시킵니다. 이어서, Si 분말을 먼저 질소 분위기에서 융점(1414℃)에 가깝게 가열하여 질소와 반응하여 다공성 Si3N4 소결체를 형성하는 2단계 질화 소결 공정을 사용합니다. 이 공정은 새로 생성된 질화규소의 산소 함량을 제어하면서 Si의 적절한 질화를 보장합니다. 이후, 다공성 Si3N4를 고온에서 추가로 소결하여 입자 성장 및 기공 폐쇄를 촉진함으로써 최종적으로 밀도가 높고 산소 함량이 낮으며 열전도도가 높은 Si3N4 세라믹 기판이 형성되었다.
고순도 α-Si3N4 분말의 직접소결
또 다른 방법은 소결을 위해 산소 함량이 매우 낮은 고순도 α-Si3N4 분말을 사용하는 것입니다. 이 방법은 Si에서 Si3N4로의 전환 과정을 피하고 고순도 및 특정 결정 구조를 갖는 α-Si3N4 분말을 직접 사용하여 소결함으로써 산소 불순물 도입 가능성을 줄입니다. 온도, 분위기, 압력 등의 소결 변수를 정밀하게 제어함으로써 밀도가 높고 결함이 적으며 열전도도가 우수한 질화규소 기판을 얻을 수 있다.
β-Si3N4의 소결적용
β-Si3N4는 α-Si3N4와 일부 물리적 특성이 다를 수 있지만 산소 함량이 낮고 순도가 높아 고성능 질화규소 기판 제조에 적합합니다. 소결을 위해 β-Si3N4 분말을 사용하면 열전도도가 높은 질화규소 재료를 제조할 수 있으며, 특히 특정 응용 시나리오에서는 β-Si3N4의 일부 특성이 더 유리할 수 있습니다.
요약하면, 질화규소(Si3N4) 기판 소재는 고성능 열 관리 솔루션의 핵심 구성 요소이며, 열 전도성의 최적화는 전반적인 열 관리 효율성을 향상시키는 데 중요합니다. 질화규소의 열전달 메커니즘, 즉 격자 진동과 포논 전도 과정을 깊이 이해함으로써 포논 산란이 열전도도에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나임을 깨닫습니다. 특히, 주요 산란원으로 작용하는 격자 내의 산소 결함은 포논의 평균 자유 경로를 크게 감소시켜 효과적인 열 전도를 방해합니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 우리는 질화규소 기판의 산소 함량을 줄여 열전도도를 향상시키는 다양한 전략을 제안합니다. 원료 분말의 최적 선택부터 고순도 α-Si3N4 분말의 직접 소결, β-Si3N4의 소결 적용까지 각 방법은 소스에서 산소 불순물 도입을 줄이고 고밀도 및 저밀도를 달성하는 것을 목표로 합니다. 정밀한 공정관리를 통해 소재의 불량현황을 파악합니다.
향후 연구에서는 보다 효율적인 질화규소 제조 공정을 탐색하고 다양한 결정 구조와 미세구조가 질화규소의 열전도도에 영향을 미치는 메커니즘을 더 깊이 이해하는 데 중점을 둘 것입니다. 이러한 노력을 통해 우리는 열 전도성은 높이고 열 저항은 낮은 질화규소 기판 소재를 개발하여 전자 패키징, 항공우주, 에너지 변환 및 기타 분야에서 고성능 열 관리를 강력하게 지원할 것으로 기대됩니다.
