في التقنيات المتطورة، مثل التغليف الإلكتروني عالي الأداء والفضاء وتحويل الطاقة، تحظى مواد ركيزة نيتريد السيليكون (Si3N4) بتقدير كبير لخصائصها الميكانيكية الممتازة وثباتها الكيميائي ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن الموصلية الحرارية لنتريد السيليكون، باعتبارها واحدة من العوامل الرئيسية التي تؤثر على تطبيقه على نطاق واسع، كانت دائمًا موضع تركيز وصعوبة أبحاث علم المواد. تهدف هذه الورقة إلى استكشاف آليات نقل الحرارة الرئيسية لركيزة نيتريد السيليكون بعمق، وهي اهتزاز الشبكة وتوصيل الفونون، والتحليل المنهجي لتأثير استراتيجية الاختيار والتحسين لمضافات التلبيد على التوصيل الحراري لركيزة نيتريد السيليكون، من أجل توفير الأساس النظري والتوجيه العملي لتحسين كفاءة الإدارة الحرارية لركيزة نيتريد السيليكون.
فهم أعمق لآليات انتقال الحرارة
تعد آلية نقل الحرارة الرئيسية لنتريد السيليكون، وهي اهتزاز الشبكة وتوصيل الفونون، عملية معقدة ودقيقة. لا يقتصر الانتشار غير الخطي وتصادم الفونونات في الشبكة على اقتران الشبكة فحسب، بل يتأثر أيضًا بشدة بخصائص البنية المجهرية الداخلية للمواد. على وجه الخصوص، توجد العديد من العيوب (مثل الشواغر والاضطرابات) وذرات الشوائب والواجهات الحبيبية في بلورات Si3N4، والتي، باعتبارها مركز تشتت الفونون، تقلل بشكل كبير من متوسط المسار الحر للفونونات، وبالتالي تصبح عنق الزجاجة الرئيسي الذي يحد من التحسن الموصلية الحرارية لنتريد السيليكون. الأكسجين الشبكي، باعتباره أحد أهم أنواع العيوب، لا يزيد من احتمالية تشتت الفونون فحسب، بل يتسبب أيضًا في تشويه الشبكة، مما يزيد من إضعاف كفاءة التوصيل الحراري.
استراتيجية تحسين إضافات التلبيد
في ضوء الرابطة التساهمية القوية من نيتريد السيليكون وصعوبة التلبيد المضغوط من خلال انتشار الطور الصلب، فإن اختيار وتطبيق إضافات التلبيد له أهمية خاصة. تقليديًا، يتم استخدام الأكاسيد مثل MgO وAl2O3 وCaO وأكاسيد الأتربة النادرة على نطاق واسع كإضافات تلبيد، والتي تعزز تلبيد الطور السائل عن طريق تكوين ذوبان سهل الانصهار ذو نقطة انصهار منخفضة، وبالتالي زيادة كثافة نيتريد السيليكون. ومع ذلك، فإن إضافات تلبيد الأكسيد هذه تجلب التكثيف في نفس الوقت، ولكنها تقدم أيضًا مشكلة جديدة: الموصلية الحرارية المنخفضة الخاصة بها وقد تسبب تغيرات في طور حدود الحبوب (مثل تكوين محلول SiAlON الصلب)، يكون لها تأثير سلبي على إجمالي التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون.
ومن أجل التغلب على هذه المشكلة، بدأ العلماء في استكشاف استخدام إضافات التلبيد غير المؤكسدة. تُظهر المواد غير الأكاسيد، مثل MgSiN2 والفلوريد الأرضي النادر، مزايا فريدة. لا يمكنها فقط تقليل الطور الثانوي ومحتوى الأكسجين الشبكي من نيتريد السيليكون، ولكن أيضًا تعزيز تقليل الطور الحدودي للحبيبات وتقليل SiO2 من خلال تفاعلات كيميائية محددة (مثل تفاعل فلوريد الأرض النادر مع SiO2 لإنتاج SiF4 المتطاير)، لذلك وذلك لتقليل محتوى الأكسجين الشبكي بشكل فعال وتحسين التوصيل الحراري. ومع ذلك، فإن التطبيق التجاري لمضافات التلبيد غير المؤكسدة لا يزال يواجه تحديات، كما أن ارتفاع تكلفتها وقيود العرض تحد من تطبيقها في الإنتاج على نطاق واسع.
استراتيجية شاملة: إضافات تلبيد الأكسيد + غير الأكسيدية
في ضوء التحليل أعلاه، الحل المحتمل هو اعتماد نظام مساعد للتلبيد المركب "أكسيد + غير أكسيد". تهدف هذه الإستراتيجية إلى الجمع بين مزايا نوعين من إضافات التلبيد: توفر إضافات الأكسيد بيئة تلبيد الطور السائل اللازمة لضمان تكثيف المادة؛ تعمل الإضافات غير المؤكسدة على تقليل محتوى الأكسجين الشبكي وزيادة التوصيل الحراري من خلال خصائصها الكيميائية الفريدة. من خلال نظام صياغة مصمم بعناية، من الممكن تحقيق تحكم دقيق في عملية التلبيد وأداء المنتج النهائي، وذلك لزيادة التوصيل الحراري لركيزة نيتريد السيليكون مع ضمان كفاءة الإنتاج.
باختصار، يعد تحسين التوصيل الحراري لمواد الركيزة من نيتريد السيليكون عملية معقدة تنطوي على عوامل وطبقات متعددة. من خلال الفهم العميق للآلية المجهرية لاهتزاز الشبكة وتوصيل الفونون، بالإضافة إلى التنظيم الدقيق لاختيار وصياغة إضافات التلبيد، يمكننا التغلب بشكل فعال على عنق الزجاجة الذي تواجهه مواد نيتريد السيليكون في تحسين التوصيل الحراري. في المستقبل، مع التعميق المستمر لأبحاث علوم المواد والتقدم المستمر للتكنولوجيا، لدينا سبب للاعتقاد بأن المواد الأساسية من نيتريد السيليكون ستظهر سحرها الفريد وآفاق تطبيقها الواسعة في المزيد من المجالات. وفي الوقت نفسه، سيؤدي ذلك أيضًا إلى تعزيز الابتكار التكنولوجي والتحديث الصناعي في المجالات ذات الصلة، والمساهمة في التنمية المستدامة للمجتمع البشري.
