Razones de la brecha entre la conductividad térmica práctica y teórica de las cerámicas de nitruro de silicio

El nitruro de silicio (Si₃N₄) es un material cerámico estructural con una conductividad térmica intrínseca de alrededor de 320 W/(m·K), que presenta una alta conductividad térmica y excelentes propiedades mecánicas. Gracias a su estabilidad superior a temperatura ambiente, Si₃N₄ se ha convertido en un material de embalaje de sustrato cerámico ampliamente adoptado para la industria moderna de semiconductores. Sin embargo, existe una discrepancia notable entre la conductividad térmica práctica del Si₃N₄ y su valor teórico. Este artículo explora los principales factores responsables de dicha divergencia.

1 oxígeno de celosía

La conducción de calor en Si₃N₄ está gobernada predominantemente por la transmisión de fonones. Las imperfecciones de la red, incluidas las vacantes, las fallas de apilamiento y las impurezas intergranulares, intensifican la dispersión de fonones y degradan la conductividad térmica del nitruro de silicio.

El oxígeno reticular sirve como factor decisivo que modifica la conductividad térmica del Si₃N₄. Después de que los átomos de oxígeno penetran la red de Si₃N₄, se forman vacantes de silicio, acortando drásticamente el camino libre medio de los fonones y reduciendo en consecuencia la conductividad térmica. Para aumentar el rendimiento térmico del Si₃N₄, se debe minimizar el contenido de oxígeno en los polvos crudos para optimizar la actividad de sinterización, mientras se conservan los tamaños finos de las partículas iniciales para bloquear la contaminación adicional por oxígeno.

Aditivos de sinterización convencionales paraSi₃N₄son otra fuente importante de oxígeno reticular. Estos aditivos forman fases secundarias intergranulares con una conductividad térmica generalmente inferior a 1 W/(m·K) dentro de la fase líquida, lo que perjudica la conductividad térmica en masa del Si₃N₄. Las investigaciones existentes confirman que la adopción de aditivos de sinterización de óxidos de tierras raras reduce el contenido de oxígeno de la red a medida que disminuye el radio iónico de los elementos de tierras raras. Se prefiere la sinterización a baja temperatura para reducir los costos de producción de los sustratos cerámicos de Si₃N₄ y al mismo tiempo garantizar una densificación total y un tamaño de grano deseable.

Además, la adición moderada de polvo de carbono reductor suprime la formación de fases secundarias y mejora la pureza de la red; Se debe evitar el exceso de carbono libre para lograr una conductividad térmica elevada.

2 Estructura cristalina del nitruro de silicio

El nitruro de silicio es un compuesto fuertemente covalente con un peso molecular de 140,68. Sus dos polimorfos predominantes, α‑Si₃N₄ y β‑Si₃N₄, pertenecen al sistema cristalino hexagonal. Dado que las cerámicas de Si₃N₄ se sinterizan comúnmente por encima de 1800 °C, el β‑Si₃N₄ constituye la fase cristalina dominante en los componentes de Si₃N₄ disponibles comercialmente.

(1) Fuerza impulsora del crecimiento del grano de β‑Si₃N₄

El α-Si₃N₄ residual sin transformar que queda durante la transición de fase α-a-β impone un impacto negativo pronunciado sobre la conductividad térmica. Por lo tanto, la transformación de fase completa de α‑Si₃N₄ a β‑Si₃N₄ es esencial para facilitar la nucleación y el crecimiento del grano de β‑Si₃N₄ para mejorar la conductividad térmica.

(2) Morfología de los granos de β‑Si₃N₄ cultivados

La conductividad térmica aumenta notablemente al aumentar el tamaño del grano de β-Si₃N₄, y la duración prolongada del recocido mejora aún más la capacidad de transferencia de calor. Sin embargo, una vez que los granos crecen más allá de una dimensión crítica, el engrosamiento adicional del grano aporta una mejora insignificante al rendimiento térmico.

3 densidad relativa

La densidad relativa ejerce una influencia destacada en la conductividad térmica del Si₃N₄. Una mayor porosidad conduce a una degradación evidente de la conductividad térmica. En general, las cerámicas de Si₃N₄ de alta conductividad térmica poseen una densidad aparente y una difusividad térmica elevadas, y los óxidos de tierras raras facilitan la fabricación de nitruro de silicio completamente denso. La sinterización en fase líquida es obligatoria para realizar la densificación de las cerámicas de nitruro de silicio y la densidad final de Si₃N₄ varía según diferentes parámetros de sinterización y métodos de procesamiento. Por este motivo, seleccionar técnicas de sinterización adecuadas es fundamental para fabricar cerámicas de Si₃N₄ de alta conductividad térmica.

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