Kristal yapı saflığı

Yüksek saflıkta α-SiC tek kristalinin teorik termal iletkenliği 490 W/(m-K) değerine ulaşabilir, ancak gerçek malzeme tane sınırları ve safsızlıklar gibi faktörler nedeniyle önemli ölçüde azalır. Örneğin, safsızlık içeriğindeki her 0,1% artış için, termal iletkenlik yaklaşık 5-8% azalır.

Gözeneklilik

Gözeneklilik fonon iletimini engeller ve gözeneklilikteki her 1%'lik artış için termal iletkenlik 5-10% azalır. SISIC'in gözenekliliği genellikle <0.5% iken, SSIC'in gözenekliliği sinterleme süreçlerindeki farklılıklar nedeniyle 2%'ye ulaşabilir.

Sinterleme yardımcıları

SSIC'de yaygın olarak kullanılan Al₂O₃-Y₂O₃ katkı maddesi düşük termal iletkenliğe sahip bir tane sınırı fazı (termal iletkenlik <10 W/(m-K)) oluştururken, SISIC'nin tane sınırı termal iletkenliği serbest silikonun varlığı nedeniyle 120-150 W/(m-K)'ye ulaşabilir.

Tane büyüklüğü

Büyük taneler (>20μm) tane sınırlarının sayısını azaltabilir ve termal iletkenliği 15-20% artırabilir. SISIC taneleri genellikle 1-5μm'dir ve SSIC 5-20μm'ye ulaşabilir.

Silisyum karbür kafesin ısı iletimi esas olarak fonon transferi yoluyla sağlanır. Sıcaklık değişimleri termal iletkenliği üç açıdan etkileyecektir:

1. Geliştirilmiş fonon saçılması
   Sıcaklık artışı kafes titreşimini yoğunlaştırır (fonon konsantrasyonu ↑), bu da fonon-fononon saçılma olasılığının artmasına ve ortalama serbest yolun kısalmasına neden olur (ısı iletim direnci ↑)
2. Phase deği̇şi̇mi̇ ve arayüz etki̇si̇
   RB-SiC'deki serbest silikon (erime noktası 1414℃) erime noktasına yaklaştığında yumuşar ve silikon/SiC arayüzünün termal direncinde keskin bir artışa neden olur
3. Kusur aktivasyonu
   Yüksek sıcaklıklarda, tane sınırlarındaki safsızlık atomlarının difüzyonu yoğunlaşır ve ek saçılma merkezleri oluşturur (özellikle 500°C'nin üzerinde)

Oda sıcaklığı ila 800 ℃ aralığı (tahribatsız sıcaklık aralığı)

• Termal iletkenlik değişimi: 180 W/(m-K) → 95 W/(m-K) (47% azalma)
• Baskın faktör: Umklapp saçılması baskındır
• Anahtar fenomen:
  • 300℃'de bir bükülme noktası belirir ve termal iletkenlik azalma hızı -0,25 W/(m-K-℃)'den -0,15 W/(m-K-℃)'ye yavaşlar
  • Tane sınırı termal direnç oranı 15%'den 35%'ye yükselir

800-1300 ℃ aralığı (yapısal stabilite limiti)

• Termal iletkenlik değişimi: 95 W/(m-K) → 62 W/(m-K) (35% azalma)
• Baskın faktörler:
  • Serbest silikonun (4,5×10-⁶/℃) ve SiC'nin (4,0×10-⁶/℃) termal genleşme katsayısı arasındaki fark mikro çatlaklara yol açar
  • Silikon fazın viskoz akışı başlar (＞1200℃)
• Anormal fenomen:
  • 1050℃ civarında termal iletkenlikte yerel bir artış (yaklaşık +5%) meydana gelebilir, bu da silikon faz kristalliğinin iyileştirilmesiyle ilgilidir

1300-1400 ℃ aralığı (kritik arıza bölgesi)

• Termal iletkenlik değişimi: 62 W/(m-K) → 28 W/(m-K) (55% azalma)
• Arıza mekanizması:
  • Silikon fazı eriyerek sıvı bir film oluşturur (>1414℃ tamamen erimiş)
  • Gözeneklilik 3-5%'ye yükselir

1. Fonon saçılmasının hakim olduğu termal iletim

PLS-SiC'nin termal iletimi esas olarak **kafes titreşimi (fonon)** iletimi yoluyla sağlanır. Sıcaklık değişimleri termal iletkenliği aşağıdaki kanallar aracılığıyla etkiler:

• Umklapp saçılma artışı: Sıcaklıktaki artış, fonon yoğunluğunda artışa, kafes anharmonik titreşiminde yoğunlaşmaya ve ortalama serbest yolun kısalmasına neden olur.
• Tane sınırı saçılma etkisi: Sinterleme yardımcıları (Al₂O₃-Y₂O₃ gibi) tarafından oluşturulan tane sınırı fazı düşük bir termal iletkenliğe (<10 W/(m-K)) sahiptir ve tane sınırı termal direncinin oranı yüksek sıcaklıklarda artar.
• Kusur termal aktivasyonu: 500℃'nin üzerinde, kafes boşluklarının ve safsızlık atomlarının difüzyonu yoğunlaşarak ek saçılma merkezleri oluşturur.

2. Tane sınırı fazının dinamik evrimi

Düşük sıcaklık bölgesi (<600℃): Tane sınırı cam fazı katı kalır ve termal iletkenlikteki azalma esas olarak fonon saçılması tarafından domine edilir.

• Orta ve yüksek sıcaklık bölgesi (600-1400°C): bazı tane sınırı fazları yumuşar (Y-Si-Al-O cam fazı gibi) ve arayüzey termal direnci önemli ölçüde artar.
• Ultra yüksek sıcaklık bölgesi (＞1400℃): tane sınır fazı ayrışabilir veya buharlaşabilir, bu da gözenekliliğin artmasına neden olur.

1. Oda sıcaklığından 600°C'ye: doğrusal düşüş aşaması

• Termal iletkenlik değişimi: 150 W/(m-K) → 110 W/(m-K) (27%'nin düşüşü)
• Baskın faktör: Umklapp saçılması baskındır
• Anahtar veriler:
  • Termal iletkenlik sıcaklık katsayısı: -0,07 W/(m-K-℃)
  • Tane sınırı termal direnç oranı 20%'den 35%'ye yükseldi

2. 600-1400 ℃: doğrusal olmayan zayıflama aşaması

• Termal iletkenlik değişimi: 110 W/(m-K) → 65 W/(m-K) (41%'nin düşüşü)
• Mekanizma analizi:
  • Tane sınırındaki cam fazının viskozitesi azalır ve ara yüzey termal direnci sıçrar (katkı oranı > 50%)
  • Mikro çatlaklar tane sınırı boyunca filizlenir (termal genleşme katsayılarındaki farklılıklardan kaynaklanır)
• Anormal fenomen:
  • 800-1000°C aralığında, tane sınırı fazının kısmi kristalleşmesiyle ilgili kısa vadeli bir platform (değişim oranı <5%) ortaya çıkabilir.

3. 1400-1600℃: Ultra yüksek sıcaklık sınır alanı

• Termal iletkenlik değişimi: 65 W/(m-K) → 45 W/(m-K) (31% azalma)
• Arıza mekanizması:
  • Tane sınırı fazı buharlaşması (Y₂O₃ süblimasyon sıcaklığı > 2400 ℃ gibi, ancak yerel zenginleşmiş alanlar ayrışabilir)
  • Anormal tane büyümesi (boyut 5μm'den 15μm'ye çıkar), tane sınır yoğunluğu azalır ancak tek kristal anizotropisi artar

* Yukarıdaki veriler sadece referans amaçlıdır.

Önemli dönüm noktaları:

• 300℃: SSIC termal iletkenliği tane sınırı faz stabilizasyonunu tamamlar ve RB-SiC'yi aşar
• 1000℃: SISIC silikon fazı akmaya başlar ve termal iletkenlik azalma oranı 0,2 W/(m-K-℃) değerine yükselir

* Yukarıdaki veriler sadece referans amaçlıdır.

• Sınırlı bütçe + < 800 ℃: SISIC'i seçin (30-50% daha düşük maliyet)
• Uzun süreli yüksek sıcaklıkta hizmet: SSIC tercih edilir (kullanım ömrü 2-3 kat uzar)
• Aşırı termal şok ortamı: SISIC (800 ℃'ye kadar ΔT termal şok direnci)

* Yukarıdaki veriler sadece referans amaçlıdır.

25°C'deki termal iletkenliğe bağlı olarak, 30 dakika yüksek sıcaklığa maruz kaldıktan sonraki tutma oranı şöyledir

Reaksiyon sinterlenmiş ve basınçsız sinterlenmiş silisyum karbürün her birinin termal iletkenlikte kendi avantajları vardır. En iyi termal yönetim çözümünü elde etmek için mühendislik seçiminin sıcaklık, ortam ve maliyeti kapsamlı bir şekilde dikkate alması gerekir. Uygulamanız için hangi malzemenin uygun olduğundan hala emin değilseniz, lütfen bizimle iletişime geçin.