Reinheit der Kristallstruktur

Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von hochreinem α-SiC-Einkristall kann 490 W/(m-K) erreichen, aber das tatsächliche Material ist aufgrund von Faktoren wie Korngrenzen und Verunreinigungen erheblich reduziert. Zum Beispiel sinkt die Wärmeleitfähigkeit pro 0,1% Erhöhung des Verunreinigungsgehalts um etwa 5-8%.

Porosität

Porosität behindert die Phononentransmission, und für jede Zunahme der Porosität um 1% nimmt die Wärmeleitfähigkeit um 5-10% ab. Die Porosität von SISIC beträgt in der Regel <0,5%, während die Porosität von SSIC aufgrund von Unterschieden im Sinterprozess bis zu 2% betragen kann.

Sinterhilfsmittel

Das in SSIC üblicherweise verwendete Al₂O₃-Y₂O₃-Additiv bildet eine Korngrenzenphase mit geringer Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit <10 W/(m-K)), während die Korngrenzen-Wärmeleitfähigkeit von SISIC aufgrund der Anwesenheit von freiem Silizium 120-150 W/(m-K) erreichen kann.

Größe der Körner

Große Körner (>20μm) können die Anzahl der Korngrenzen verringern und die Wärmeleitfähigkeit um 15-20% erhöhen. SISIC-Körner sind in der Regel 1-5μm groß, und SSIC kann 5-20μm erreichen.

Die Wärmeleitung des Siliziumkarbidgitters wird hauptsächlich durch Phononentransfer erreicht. Temperaturänderungen beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit in dreierlei Hinsicht:

1. Verstärkte Phononenstreuung
   Der Temperaturanstieg verstärkt die Gitterschwingungen (Phononenkonzentration ↑), was zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit der Phononen-Phononen-Streuung und einer Verkürzung der mittleren freien Weglänge (Wärmeleitwiderstand ↑) führt.
2. Phasenänderung und schnittstellenwirkung
   Das freie Silizium (Schmelzpunkt 1414℃) in RB-SiC wird weicher, wenn es sich dem Schmelzpunkt nähert, was zu einem starken Anstieg des Wärmewiderstands der Silizium/SiC-Grenzfläche führt
3. Defekt-Aktivierung
   Bei hohen Temperaturen wird die Diffusion von Verunreinigungsatomen an den Korngrenzen verstärkt und es bilden sich zusätzliche Streuzentren (insbesondere oberhalb von 500℃).

Raumtemperatur bis 800℃ (zerstörungsfreier Temperaturbereich)

• Änderung der Wärmeleitfähigkeit: 180 W/(m-K) → 95 W/(m-K) (47% Abnahme)
• Dominanter Faktor: Umklapp-Streuung dominiert
• Schlüsselphänomen:
  • Ein Wendepunkt erscheint bei 300℃, und die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit verlangsamt sich von -0,25 W/(m-K-℃) auf -0,15 W/(m-K-℃)
  • Das Verhältnis des thermischen Widerstandes an der Korngrenze steigt von 15% auf 35%

800-1300℃ Bereich (strukturelle Stabilitätsgrenze)

• Änderung der Wärmeleitfähigkeit: 95 W/(m-K) → 62 W/(m-K) (35% Abnahme)
• Beherrschende Faktoren:
  • Der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von freiem Silizium (4,5×10-⁶/℃) und SiC (4,0×10-⁶/℃) führt zu Mikrorissen
  • Das viskose Fließen der Siliziumphase beginnt (＞1200℃)
• Abnormes Phänomen:
  • Ein lokaler Anstieg der Wärmeleitfähigkeit (etwa +5%) kann um 1050℃ auftreten, was mit der Verbesserung der Kristallinität der Siliziumphase zusammenhängt.

1300-1400℃ Bereich (kritische Fehlerzone)

• Änderung der Wärmeleitfähigkeit: 62 W/(m-K) → 28 W/(m-K) (55% Abnahme)
• Versagensmechanismus:
  • Die Siliziumphase schmilzt zu einem Flüssigkeitsfilm (>1414℃ vollständig geschmolzen)
  • Die Porosität erhöht sich auf 3-5%

1. Wärmeleitung dominiert durch Phononenstreuung

Die Wärmeleitung von PLS-SiC wird hauptsächlich durch die **Gitterschwingung (Phononen)**-Übertragung erreicht. Temperaturänderungen beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit über die folgenden Kanäle:

• Verstärkung der Umklapp-Streuung: Die Erhöhung der Temperatur führt zu einer Erhöhung der Phononendichte, einer verstärkten anharmonischen Schwingung des Gitters und einer Verkürzung der mittleren freien Weglänge.
• Effekt der Korngrenzenstreuung: Die durch Sinterhilfsmittel (wie Al₂O₃-Y₂O₃) gebildete Korngrenzenphase hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (<10 W/(m-K)), und der Anteil des thermischen Widerstands an den Korngrenzen steigt bei hohen Temperaturen.
• Thermische Aktivierung von Defekten: Oberhalb von 500℃ verstärkt sich die Diffusion von Gitterleerstellen und Fremdatomen, die zusätzliche Streuzentren bilden.

2. Dynamische Entwicklung der Korngrenzenphase

Niedertemperaturbereich (<600℃): Die Glasphase an der Korngrenze bleibt fest, und die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit wird hauptsächlich durch Phononenstreuung bestimmt.

• Mittel- und Hochtemperaturbereich (600-1400℃): Einige Korngrenzenphasen erweichen (z. B. Y-Si-Al-O-Glasphase), und der Wärmewiderstand an der Grenzfläche steigt erheblich.
• Ultrahochtemperaturzone (＞1400℃): Die Korngrenzphase kann sich zersetzen oder verflüchtigen, was zu einer erhöhten Porosität führt.

1. Raumtemperatur bis 600℃: linear abnehmende Stufe

• Änderung der Wärmeleitfähigkeit: 150 W/(m-K) → 110 W/(m-K) (Rückgang von 27%)
• Dominanter Faktor: Umklapp-Streuung dominiert
• Wichtige Daten:
  • Wärmeleitfähigkeit Temperaturkoeffizient: -0,07 W/(m-K-℃)
  • Das Verhältnis des thermischen Widerstandes an der Korngrenze wurde von 20% auf 35% erhöht.

2. 600-1400℃: nichtlineare Dämpfungsstufe

• Änderung der Wärmeleitfähigkeit: 110 W/(m-K) → 65 W/(m-K) (Rückgang von 41%)
• Analyse des Mechanismus:
  • Die Viskosität der Glasphase an der Korngrenze nimmt ab, und der Wärmewiderstand der Grenzfläche springt an (Beitragssatz > 50%)
  • Mikrorisse keimen entlang der Korngrenze (verursacht durch Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten)
• Abnormes Phänomen:
  • Eine kurzfristige Plattform (Änderungsrate < 5%) kann im Bereich von 800-1000℃ auftreten, was mit der teilweisen Kristallisation der Korngrenzenphase zusammenhängt.

3. 1400-1600℃: Grenzbereich für ultrahohe Temperaturen

• Änderung der Wärmeleitfähigkeit: 65 W/(m-K) → 45 W/(m-K) (31% Abnahme)
• Versagensmechanismus:
  • Verflüchtigung an der Korngrenze (z. B. Y₂O₃-Sublimationstemperatur > 2400℃, aber lokale angereicherte Bereiche können sich zersetzen)
  • Abnormales Kornwachstum (Größe steigt von 5μm auf 15μm), Korngrenzendichte nimmt ab, aber Einkristallanisotropie nimmt zu

* Die oben genannten Daten dienen nur als Referenz.

Wichtige Wendepunkte:

• 300℃: Die Wärmeleitfähigkeit von SSIC schließt die Stabilisierung der Korngrenzenphase ab und übertrifft RB-SiC
• 1000℃: Die SISIC-Siliziumphase beginnt zu fließen, und die Abklingrate der Wärmeleitfähigkeit steigt auf 0,2 W/(m-K-℃)

* Die oben genannten Daten dienen nur als Referenz.

• Begrenztes Budget + < 800℃: Wählen Sie SISIC (30-50% kostengünstiger)
• Langfristiger Einsatz bei hohen Temperaturen: SSIC wird bevorzugt (2-3fache Lebensdauer)
• Extreme Thermoschock-Umgebung: SISIC (Temperaturwechselbeständigkeit ΔT bis zu 800℃)

* Die oben genannten Daten dienen nur als Referenz.

Basierend auf der Wärmeleitfähigkeit bei 25°C ist dies die Retentionsrate nach 30 Minuten hoher Temperatureinwirkung

Reaktionsgesintertes und drucklos gesintertes Siliciumcarbid haben jeweils ihre eigenen Vorteile bei der Wärmeleitfähigkeit. Bei der technischen Auswahl müssen Temperatur, Medium und Kosten umfassend berücksichtigt werden, um die beste Wärmemanagementlösung zu finden. Wenn Sie noch nicht sicher sind, welches Material für Ihre Anwendung geeignet ist, wenden Sie sich bitte an uns.