Pureté de la structure cristalline

La conductivité thermique théorique d'un monocristal d'α-SiC de haute pureté peut atteindre 490 W/(m-K), mais le matériau réel est considérablement réduit en raison de facteurs tels que les joints de grains et les impuretés. Par exemple, pour chaque augmentation de 0,1% de la teneur en impuretés, la conductivité thermique diminue d'environ 5-8%.

Porosité

La porosité entrave la transmission des phonons, et pour chaque augmentation de 1% de la porosité, la conductivité thermique diminue de 5-10%. La porosité du SISIC est généralement inférieure à 0,5%, tandis que celle du SSIC peut atteindre 2% en raison des différences dans les processus de frittage.

Aides au frittage

L'additif Al₂O₃-Y₂O₃ couramment utilisé dans le SSIC formera une phase de limite de grain à faible conductivité thermique (conductivité thermique <10 W/(m-K)), tandis que la conductivité thermique de limite de grain du SISIC peut atteindre 120-150 W/(m-K) en raison de la présence de silicium libre.

Taille des grains

Les gros grains (>20μm) peuvent réduire le nombre de joints de grains et augmenter la conductivité thermique de 15-20%. Les grains SISIC ont généralement une taille de 1 à 5μm, et les grains SSIC peuvent atteindre 5 à 20μm.

La conduction thermique du réseau de carbure de silicium est principalement assurée par le transfert de phonons. Les changements de température affectent la conductivité thermique sous trois aspects :

1. Diffusion améliorée des phonons
   L'augmentation de la température intensifie la vibration du réseau (concentration de phonons ↑), ce qui entraîne une augmentation de la probabilité de diffusion phonon-phonon et un raccourcissement du libre parcours moyen (résistance à la conduction thermique ↑).
2. Pchangement de phase et effet d'interface
   Le silicium libre (point de fusion 1414℃) dans le RB-SiC se ramollit lorsqu'il s'approche du point de fusion, ce qui provoque une forte augmentation de la résistance thermique de l'interface silicium/SiC
3. Activation des défauts
   A haute température, la diffusion des atomes d'impuretés aux joints de grains s'intensifie, formant des centres de diffusion supplémentaires (surtout au-dessus de 500℃).

Température ambiante à 800℃ (plage de température non destructive)

• Changement de conductivité thermique : 180 W/(m-K) → 95 W/(m-K) (diminution de 47%)
• Facteur dominant : La diffusion Umklapp domine
• Phénomène clé :
  • Un point d'inflexion apparaît à 300℃, et le taux de diminution de la conductivité thermique ralentit de -0,25 W/(m-K-℃) à -0,15 W/(m-K-℃).
  • Le rapport de résistance thermique de la limite des grains passe de 15% à 35%.

800-1300℃ (limite de stabilité structurelle)

• Variation de la conductivité thermique : 95 W/(m-K) → 62 W/(m-K) (diminution de 35%)
• Facteurs dominants :
  • La différence entre le coefficient de dilatation thermique du silicium libre (4.5×10-⁶/℃) et du SiC (4.0×10-⁶/℃) conduit à des microfissures.
  • L'écoulement visqueux de la phase silicium commence (＞1200℃).
• Phénomène anormal :
  • Une augmentation locale de la conductivité thermique (environ +5%) peut se produire autour de 1050℃, ce qui est lié à l'amélioration de la cristallinité de la phase de silicium

1300-1400℃ (zone de défaillance critique)

• Changement de conductivité thermique : 62 W/(m-K) → 28 W/(m-K) (diminution de 55%)
• Mécanisme de défaillance :
  • La phase silicium fond pour former un film liquide (>1414℃ complètement fondu).
  • La porosité augmente jusqu'à 3-5%

1. Conduction thermique dominée par la diffusion des phonons

La conduction thermique du PLS-SiC est principalement assurée par la transmission des **vibrations du réseau (phonon)**. Les changements de température affectent la conductivité thermique par les canaux suivants :

• Amélioration de la diffusion Umklapp : L'augmentation de la température entraîne une augmentation de la densité des phonons, une intensification de la vibration anharmonique du réseau et un raccourcissement du libre parcours moyen.
• Effet de diffusion des joints de grains : La phase de joint de grain formée par les auxiliaires de frittage (tels que Al₂O₃-Y₂O₃) a une faible conductivité thermique (<10 W/(m-K)), et la proportion de la résistance thermique du joint de grain augmente à des températures élevées.
• Activation thermique des défauts : Au-dessus de 500℃, la diffusion des lacunes du réseau et des atomes d'impureté s'intensifie, formant des centres de diffusion supplémentaires.

2. Évolution dynamique de la phase du joint de grain

Zone de basse température (<600℃) : La phase vitreuse en limite de grain reste solide, et la diminution de la conductivité thermique est principalement dominée par la diffusion des phonons.

• Zone de moyenne et haute température (600-1400℃) : certaines phases des joints de grains se ramollissent (comme la phase vitreuse Y-Si-Al-O), et la résistance thermique interfaciale augmente de manière significative.
• Zone à ultra-haute température (＞1400℃) : la phase des joints de grains peut se décomposer ou se volatiliser, ce qui entraîne une augmentation de la porosité.

1. De la température ambiante à 600℃ : décroissance linéaire

• Variation de la conductivité thermique : 150 W/(m-K) → 110 W/(m-K) (baisse de 27%)
• Facteur dominant : La diffusion Umklapp domine
• Données clés :
  • Coefficient de température de la conductivité thermique : -0,07 W/(m-K-℃)
  • Le taux de résistance thermique des joints de grains est passé de 20% à 35%.

2. 600-1400℃ : étage d'atténuation non linéaire

• Variation de la conductivité thermique : 110 W/(m-K) → 65 W/(m-K) (baisse de 41%)
• Analyse du mécanisme :
  • La viscosité de la phase vitreuse à la limite des grains diminue et la résistance thermique de l'interface augmente (taux de contribution > 50%).
  • Des microfissures apparaissent le long des joints de grains (causées par les différences de coefficients de dilatation thermique).
• Phénomène anormal :
  • Une plateforme à court terme (taux de changement < 5%) peut apparaître dans la gamme 800-1000℃, qui est liée à la cristallisation partielle de la phase de limite de grain.

3. 1400-1600℃ : Zone limite de température ultra-haute

• Changement de la conductivité thermique : 65 W/(m-K) → 45 W/(m-K) (diminution de 31%)
• Mécanisme de défaillance :
  • Volatilisation en phase de limite de grain (telle que Y₂O₃ température de sublimation> 2400℃, mais des zones locales enrichies peuvent se décomposer).
  • Croissance anormale des grains (la taille passe de 5μm à 15μm), la densité des joints de grains diminue mais l'anisotropie monocristalline augmente.

* Les données ci-dessus sont fournies à titre indicatif.

Principaux points d'inflexion :

• 300℃ : La conductivité thermique du SSIC complète la stabilisation de la phase des joints de grains et surpasse celle du RB-SiC.
• 1000℃ : La phase de silicium SISIC commence à s'écouler, et le taux de décroissance de la conductivité thermique augmente à 0,2 W/(m-K-℃).

* Les données ci-dessus sont fournies à titre indicatif.

• Budget limité + < 800℃ : Choisir SISIC (30-50% coût inférieur)
• Service à haute température à long terme : SSIC de préférence (durée de vie multipliée par 2 ou 3)
• Environnement de choc thermique extrême : SISIC (résistance aux chocs thermiques ΔT jusqu'à 800℃).

* Les données ci-dessus sont fournies à titre indicatif.

Sur la base de la conductivité thermique à 25°C, voici le taux de rétention après 30 minutes d'exposition à des températures élevées

Le carbure de silicium fritté par réaction et le carbure de silicium fritté sans pression présentent chacun leurs propres avantages en termes de conductivité thermique. La sélection technique doit tenir compte de la température, de l'environnement du milieu et du coût afin d'obtenir la meilleure solution de gestion thermique. Si vous ne savez toujours pas quel matériau convient à votre application, veuillez nous contacter.