結晶構造の純度

高純度α-SiC単結晶の理論熱伝導率は490W/(m・K)に達しますが、実際の材料は粒界や不純物などの要因により著しく低下します。例えば、不純物含有量が0.1%増加するごとに、熱伝導率は約5-8%低下する。

多孔性

気孔率はフォノンの透過を妨げ、気孔率が1%増加するごとに、熱伝導率は5-10%減少する。SISICの気孔率は通常0.5%未満ですが、SSICの気孔率は焼結プロセスの違いにより2%に達する場合があります。

焼結助剤

SSICで一般的に使用されるAl₂O₃-Y₂O₃添加剤は熱伝導率の低い粒界相（熱伝導率＜10W/（m・K））を形成するが、SISICの粒界熱伝導率は遊離シリコンの存在により120～150W/（m・K）に達することがある。

粒度

大きな結晶粒（20μm以上）は結晶粒界の数を減らし、熱伝導率を15-20%増加させる。SISIC結晶粒は通常1～5μmで、SSICは5～20μmに達する。

炭化ケイ素格子の熱伝導は、主にフォノン移動によって達成される。温度変化は3つの側面から熱伝導率に影響を与えます：

1. 強化されたフォノン散乱
   温度上昇は格子振動（フォノン濃度↑）を強め、フォノン-フォノン散乱の確率を増加させ、平均自由行程（熱伝導抵抗↑）を短くする。
2. P長さの変化とインターフェイスの効果
   RB-SiC中の遊離シリコン（融点1414℃）は融点に近づくと軟化し、シリコン/SiC界面の熱抵抗が急激に上昇する。
3. 欠陥の活性化
   高温では、粒界における不純物原子の拡散が強まり、さらなる散乱中心が形成される（特に500℃以上）。

室温～800℃の範囲（非破壊温度範囲）

• 熱伝導率の変化180W/(m-K) → 95W/(m・K)(47%減少)
• 支配的な要因アムクラップ散乱が支配的
• 鍵となる現象：
  • 300℃で変曲点が現れ、熱伝導率の低下率は-0.25W/(m・K・℃)から-0.15W/(m・K・℃)に鈍化する。
  • 粒界熱抵抗比が15%から35%に増加

800～1300℃の範囲（構造安定限界）

• 熱伝導率の変化：95W/(m・K) → 62W/(m・K) (35%の減少)
• 支配的な要因
  • フリーシリコン(4.5×10-⁶/℃)とSiC(4.0×10-⁶/℃)の熱膨張率の違いにより、マイクロクラックが発生した。
  • シリコン相の粘性流動が始まる（＞1200）
• 異常な現象：
  • 1050℃付近で局所的な熱伝導率の上昇（+5%程度）が見られるが、これはシリコン相の結晶化度の向上に関係している。

1300～1400℃の範囲（臨界故障領域）

• 熱伝導率の変化62 W/(m-K) → 28 W/(m-K) (55%減少)
• 故障のメカニズム
  • シリコン相が融解して液膜を形成（>1414℃で完全に融解）
  • 気孔率は3-5%に増加

1.フォノン散乱が支配する熱伝導

PLS-SiCの熱伝導は、主に**格子振動（フォノン）**透過によって達成される。温度変化は以下の経路で熱伝導率に影響を与えます：

• アムクラップ散乱の増強：温度の上昇はフォノン密度の増加、格子非調和振動の増大、平均自由行程の短縮につながる。
• 粒界散乱効果：焼結助剤（Al₂O₃-Y₂O₃など）によって形成される粒界相は熱伝導率が低く（＜10W/（m・K））、高温では粒界熱抵抗の割合が増加する。
• 欠陥の熱活性化：500℃以上では、格子空孔や不純物原子の拡散が強まり、さらなる散乱中心が形成される。

2.粒界相の動的進化

低温ゾーン（<600℃）：粒界ガラス相は固体のままであり、熱伝導率の低下は主にフォノン散乱に支配される。

• 中高温域（600～1400℃）：粒界相の一部が軟化し（Y-Si-Al-O系ガラス相など）、界面熱抵抗が著しく増加する。
• 超高温ゾーン（＞1400℃）：粒界相が分解または揮発し、気孔率が増加する可能性がある。

1.常温～600℃：直線減少ステージ

• 熱伝導率の変化150W/(m-K) → 110W/(m・K)(27%の低下)
• 支配的な要因アムクラップ散乱が支配的
• 主要データ
  • 熱伝導率温度係数：-0.07W/(m・K・℃)
  • 粒界熱抵抗比が20%から35%に増加

2.600～1400℃：非線形減衰ステージ

• 熱伝導率の変化110 W/(m-K) → 65 W/(m・K)(41%の低下)
• メカニズム分析：
  • 粒界のガラス相の粘度が低下し、界面の熱抵抗が跳ね上がる（寄与率 > 50%）
  • 粒界に沿ってマイクロクラックが発芽（熱膨張係数の違いにより発生）
• 異常な現象：
  • 800～1000℃の範囲で短期的なプラットフォーム（変化率＜5%）が現れることがあるが、これは粒界相の部分的な結晶化に関係している。

3.1400-1600℃:超高温限界領域

• 熱伝導率の変化65 W/(m-K) → 45 W/(m-K) (31%減少)
• 故障のメカニズム
  • 粒界相揮発（Y₂O₃昇華温度＞2400℃など、ただし局所的に濃縮した部分は分解する可能性あり）
  • 異常粒成長（サイズは5μmから15μmに増加）、粒界密度は減少するが、単結晶異方性は増加する。

* 上記のデータはあくまで参考です。

重要なターニングポイント

• 300℃:SSICの熱伝導率は、粒界相の安定化が完了し、RB-SiCを上回る。
• 1000℃:SISICシリコン相が流動し始め、熱伝導率の減衰率が0.2W/(m・K・℃)まで上昇する。

* 上記のデータはあくまで参考です。

• 予算が限られている＋800℃未満SISICを選択（30-50%の方が低価格）
• 長期高温サービス：SSICが望ましい（寿命が2～3倍に延びる）
• 過酷な熱衝撃環境SISIC(耐熱衝撃性ΔT 800℃まで)

* 上記のデータはあくまで参考です。

25℃における熱伝導率に基づき、30分間高温に曝した後の保持率を示す。

反応焼結シリコンカーバイドと無圧焼結シリコンカーバイドは、それぞれ熱伝導率に優位性があります。最適な熱管理ソリューションを実現するためには、温度、媒体環境、コストを総合的に考慮して設計を選択する必要があります。どの材料がお客様の用途に適しているか分からない場合は、弊社までお問い合わせください。