질화규소 세라믹의 실제 열전도율과 이론적인 열전도도 간 차이가 발생하는 이유

질화규소(Si₃N₄)는 고유 열전도도가 약 320W/(m·K)인 구조용 세라믹 소재로, 높은 열전도율과 뛰어난 기계적 특성을 갖추고 있습니다. 상온에서의 우수한 안정성 덕분에 Si₃N₄은 현대 반도체 산업에서 널리 채택되는 세라믹 기판 패키징 재료가 되었습니다. 그러나 Si₃N₄의 실제 열전도율과 이론적인 값 사이에는 상당한 차이가 존재합니다. 이 문서에서는 이러한 차이를 일으키는 주요 요인을 살펴봅니다.

1 격자 산소

시₃N₄의 열전도는 주로 포논 전달에 의해 좌우됩니다. 공극, 적층 결함 및 입계 불순물을 포함한 격자 결함은 포논 산란을 강화하고 질화규소의 열전도도를 저하시킵니다.

격자 산소는 Si₃N₄ 열전도율을 변화시키는 결정적인 요인으로 작용합니다. 산소 원자가 Si₃N₄ 격자를 관통한 후 실리콘 공극이 형성되어 포논 평균 자유 경로가 크게 단축되고 그에 따라 열전도도가 감소합니다. Si₃N₄의 열 성능을 높이려면 원료 분말의 산소 함량을 최소화하여 소결 활성을 최적화하는 동시에 미세한 시작 입자 크기를 유지하여 추가 산소 오염을 차단해야 합니다.

기존의 소결 첨가제시₃N₄격자 산소의 또 다른 주요 공급원입니다. 이러한 첨가제는 액상 내에서 일반적으로 1W/(m·K) 미만의 열전도도를 갖는 입계 2차 상을 형성하며, 이는 Si₃N₄의 벌크 열전도도를 손상시킵니다. 기존 연구에서는 희토류 산화물 소결 첨가제를 채택하면 희토류 원소의 이온 반경이 ​​감소함에 따라 격자 산소 함량이 감소하는 것으로 확인되었습니다. Si₃N₄ 세라믹 기판의 생산 비용을 절감하는 동시에 완전한 치밀화와 바람직한 입자 크기를 확보하려면 저온 소결이 선호됩니다.

또한, 환원성 탄소 분말을 적당하게 첨가하면 2차상 형성이 억제되고 격자 순도가 향상됩니다. 높은 열전도도를 얻으려면 과도한 자유 탄소를 피해야 합니다.

2 질화규소의 결정구조

질화 규소는 분자량이 140.68인 강력한 공유 결합 화합물입니다. 널리 사용되는 두 가지 다형인 α-Si₃N₄ 및 β-Si₃N₄은 모두 육방정계에 속합니다. Si₃N₄ 세라믹은 일반적으로 1800°C 이상에서 소결된다는 점을 감안할 때 β-Si₃N₄는 시중에서 판매되는 Si₃N₄ 구성 요소에서 지배적인 결정상을 구성합니다.

(1) β-Si₃N₄ 결정립 성장의 원동력

α-to-β 상전이 중에 남아 있는 변환되지 않은 잔류 α-Si₃N₄은 열전도율에 뚜렷한 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 열 전도성 향상을 위해 β-Si₃N₄의 핵 생성 및 입자 성장을 촉진하려면 α-Si₃N₄에서 β-Si₃N₄로의 완전한 상 변환이 필수적입니다.

(2) 성장된 β-Si₃N₄ 입자의 형태

β‑Si₃N₄ 입자 크기가 증가함에 따라 열전도도가 크게 증가하며, 어닐링 기간이 길어지면 열 전달 능력이 더욱 향상됩니다. 그러나 결정립이 임계 치수 이상으로 성장하면 추가 결정립 조대화로 인해 열 성능이 거의 향상되지 않습니다.

3 상대밀도

상대 밀도는 Si₃N₄ 열전도도에 큰 영향을 미칩니다. 다공성이 높을수록 명백한 열전도도 저하가 발생합니다. 일반적으로 열 전도성이 높은 Si₃N₄ 세라믹은 높은 벌크 밀도와 열 확산도를 가지며 희토류 산화물은 완전 밀도의 질화규소 제조를 촉진합니다. 질화규소 세라믹의 치밀화를 실현하려면 액상 소결이 필수이며, Si₃N₄의 최종 밀도는 다양한 소결 매개변수 및 가공 방법에 따라 달라집니다. 이러한 이유로 열전도율이 높은 Si₃N₄ 세라믹을 제조하려면 적절한 소결 기술을 선택하는 것이 중요합니다.

Semicorex는 고품질을 제공합니다.s실리콘 질화물 판s열 산화 공정용. 문의사항이 있거나 추가 세부정보가 필요한 경우, 주저하지 마시고 연락주시기 바랍니다.

전화번호 +86-13567891907에 문의하세요.

이메일: sales@semicorex.com