Koeficient toplotne razteznosti (CTE) silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trd keramični material, ki se pogosto uporablja kot abraziv in za proizvodnjo visoko zmogljivih komponent močnostne elektronike. Poleg tega je SiC zaradi odpornosti na ekstremne temperature primeren za industrijska okolja.

Vendar pa se pri uporabi SiC v elektronskih napravah z drugimi materiali lahko pojavijo mehanske obremenitve zaradi neskladja med njegovo CTE in CTE povezovalnega materiala. Ujemanje njunih CTE lahko pomaga ublažiti te napetosti.

Koeficient toplotnega raztezka (CTE)

Koeficient toplotne razteznosti (CTE) je pomemben parameter, ki meri, kako se material razteza ali krči, ko je izpostavljen temperaturnim spremembam, in ima bistveno vlogo pri načrtovanju in gradnji trdnih artefaktov iz različnih materialov. Če CTE ni natančno upoštevan, lahko povzroči mehanske napetosti, ki ogrozijo strukturno celovitost struktur.

Silicijev karbid cte se ponaša z nizkim koeficientom toplotnega raztezka (CTE), zato je idealen za uporabo pri visokih temperaturah v elektronski industriji. Zaradi nižje CTE od kovin lahko silicijev karbid deluje pri višjih ravneh moči, pri tem pa ostane v trdnem stanju, kar je zaradi vse večje moči integriranih vezij (IC) vse bolj bistvena lastnost. Ker se sčasoma povečuje število ravni moči. Toplotne lastnosti, kot je CTE, bodo postale še pomembnejše.

Silicijev karbid (SiC) je industrijsko proizveden material, sestavljen iz dveh politipov. Oblika alfa (a-SiC) s kubično kristalno strukturo cinkovega blenda, ki spominja na wurtzit in nastaja pri temperaturah nad 1700 degC, in oblika beta (b-SiC) s heksagonalno strukturo, ki je podobna procesu nastajanja wurtzita, in temperaturami pod 1700 degC se pogosto zamenjujeta. Obe obliki imata črne do rjave odtenke zaradi železovih nečistoč v njuni sestavi - obe obliki se uporabljata v industriji za trde obloge, medtem ko se elektronske aplikacije, kot so svetleče diode, ki jih uporabljajo zgodnji radijski sprejemniki, ali detektorji za zgodnje radijske sprejemnike, ki uporabljajo detektorje zgodnje radijske tehnologije v aplikacijah, ki uporabljajo detektorje iz silicijevega karbida, izdelane s SiC, ki se pri oblikovanju oblikuje tudi nad temperaturami 1700 degC.

Tako a-SiC kot b-SiC je mogoče dopirati z dušikom, fosforjem, berilijem, aluminijem ali borom, da se izboljša električna prevodnost, pri čemer močno dopiranje z borom in galijem ustvari material SiC tipa p. Naravni moissanit lahko obstaja v meteoritih ali nahajališčih korunda v zelo omejenih količinah, večina komercialno prodajanega silicijevega karbida pa je sintetična.

Koeficient toplotnega raztezanja (CTE) silicijevega karbida se lahko razlikuje glede na definicijo in metodo merjenja; ali gre za točno določeno temperaturo (pravi koeficient toplotnega raztezanja ali a-bar) ali za razpon temperatur (srednji koeficient toplotnega raztezanja ali a-m). Poleg tega na njegovo vrednost vpliva kristalografska smer; za natančnejše meritve CTE uporabljamo digitalno slikovno korelacijo (DIC), pri čemer merimo premik v ravnini zaradi temperaturnih nihanj z uporabo tehnike digitalne slikovne korelacije na preskusni strukturi s premikom v ravnini kot del te tehnike.

Merjenje CTE

CTE meri težnjo, da se molekule materiala pri spreminjanju temperature gibljejo bolj ali manj skupaj, kar je posledica privlačnih in odbojnih sil med atomi kristalne mreže, ki se medsebojno privlačijo ali odbijajo. Toplotno raztezanje prispeva k temu gibanju pri spreminjanju temperature - merjenje prave CTE ali srednje CTE je lahko dober pokazatelj.

Silicijev karbid je v čistem stanju električni izolator, vendar se z dodajanjem nadzorovanih primesi spremeni v polprevodniški material. Dopiranje silicijevega karbida z aluminijem, borom, galijem ali dušikom ustvarja polprevodnike tipa P oziroma N; dopiranje silicijevemu karbidu omogoča tudi delovanje pri višjih temperaturah, napetostih in frekvencah kot večina drugih polprevodnikov za uporabo pri visokih temperaturah.

Vsi materiali se pri višjih ali nižjih temperaturah rahlo raztezajo ali krčijo; stopnja raztezanja ali krčenja je znana kot koeficient toplotnega raztezanja (CTE). Z njim lahko izmerimo, koliko se bodo materiali razširili ali skrčili ob spremembi temperature - gre za neprecenljivo meritev, ki je pomembna pri načrtovanju izdelkov, da so med delovanjem dimenzijsko stabilni.

CTE je kompleksen parameter, ki ga je treba meriti z različnimi tehnikami. Pri masivnih materialih lahko merimo z dilatometrijo s palicami ali rentgensko difrakcijo, vendar te metode ne zadostujejo za merjenje tankih plasti ali posebnih materialov; PMIC v teh primerih uporablja Michelsonovo interferometrijo in metode kremenove dilatometrije.

PMIC-ova tehnika merjenja CTE nam omogoča spremljanje deformacij v polnih in nepolnih ploščah s tiskanim vezjem ter ugotavljanje njihovega vpliva na upogibanje tiskanega vezja, ki ga povzroča montaža vezij. Z združitvijo rezultatov tega preskusa s podatki iz tenzometrov naše stranke dobijo poglobljen vpogled v to, kako se njihova vezja obnesejo v končnih aplikacijah.

Izračun CTE

Koeficient toplotnega raztezka (CTE) je treba vedno upoštevati pri načrtovanju konstrukcij ali izdelkov, bodisi v arhitekturnem merilu, kot so nebotičniki ali obsežni mostovi, bodisi v inženirskem merilu, kot so integrirani mikročipi, ki poganjajo sodobno tehnologijo. Poznavanje odziva posameznega materiala na temperaturne spremembe je še posebej pomembno, če je ohranjanje natančnih dimenzij ključnega pomena za delovanje struktur, kot so visokotehnološke inženirske aplikacije.

Izračun CTE je sestavni del inženirskega načrtovanja, saj je njegov vpliv na strukturo ali zasnovo izdelka odvisen od njegovih specifičnih lastnosti in oblike. Poleg tega lahko z razumevanjem medsebojnega delovanja različnih materialov pridobimo dragocen vpogled v procese lepljenja - in tu je CTE še posebej pomembna, saj lahko neenakomerno raztezanje povzroči mehanske napetosti ali celo trajne poškodbe.

Ena od ključnih spremenljivk pri izračunu CTE je prvotna dolžina materiala. Njena sprememba med spreminjanjem temperature je namreč neposredno povezana z začetno dolžino, zato bo večja začetna dolžina povzročila večjo spremembo dolžine zaradi spremembe temperature.

Pri izračunu CTE je treba upoštevati več ključnih spremenljivk, vključno s tem, kako hitro ali počasi se material širi ali krči s temperaturo. Materiali s hitrejšim raztezanjem imajo običajno višje vrednosti CTE, kar lahko pomaga določiti, kateri material je najprimernejši za določeno uporabo.

Silicijev karbid se ponaša z izjemno nizkim koeficientom toplotnega raztezanja (CTE), zato je idealen material za uporabo v zrcalih teleskopov. Poleg tega je zaradi svoje trdnosti, trdote in kemične odpornosti primeren za odbijanje svetlobe nazaj na predmete v vesolju. Poleg tega silicijev karbid prenese toplotne udarce s hitrim segrevanjem ali ohlajanjem, ne da bi pri tem prišlo do toplotnih šokov; kombinacija toplotne prevodnosti, nizke vrednosti indeksa CTE in trdnosti, ki zagotavlja odpornost proti koroziji, temu materialu dodaja še dodatne prednosti.

Ujemanje CTE

Eden največjih izzivov, povezanih z montažo tiskanih vezij, je usklajevanje CTE različnih uporabljenih materialov. Če se CTE ne ujemajo popolnoma, lahko pride do mehanskih napetosti, ki oslabijo ali celo prekinejo vezi med komponentami; ta težava je še posebej očitna pri energetskih napravah, ki so podvržene ponavljajočim se toplotnim ciklom.

Da bi zmanjšali napetosti, povezane s sestavnimi deli in lepili, je idealen način za zmanjšanje teh napetosti tesno ujemanje njihovih CTE in uporaba lepil s podobnimi CTE. To zagotavlja, da so komponente nameščene na podlage s podobnimi CTE, ujemanje pa preprečuje tudi deformacije zaradi velikih temperaturnih sprememb.

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trda kemična spojina, sestavljena iz silicija in ogljika, ki sta povezana v prah in kristale. Čeprav se SiC lahko pojavi v naravi kot mineral moissanit, se pogosteje proizvaja komercialno kot prah za rezalna orodja ali abrazive. SiC deluje tudi kot polprevodnik, kar pomeni, da bolje prevaja elektriko kot večina kovin; zato je odličen za izdelavo laserskih diod ali drugih elektronskih naprav.

Pri delu s silicijem je ključnega pomena, da v celoti razumemo njegove toplotne lastnosti, zlasti koeficient toplotnega raztezanja (CTE). Temperaturni gradienti lahko v materialu povzročijo mehanske in toplotne napetosti, ki lahko privedejo do trajnih poškodb, če jih ne upoštevamo.

Eden od načinov za zmanjšanje obremenitev, povezanih s silicijevimi napravami in veznimi materiali, je zagotavljanje skladnosti njihovih koeficientov toplotnega raztezanja (CTE), kar je mogoče doseči s postopnim segrevanjem in ohlajanjem, ki je počasnejše od hitrosti segrevanja podlage.

Napetost se enakomerneje porazdeli po površini silicija, kar zmanjša tveganje za napake ali okvare zaradi neenakomerne porazdelitve napetosti. CTE podkonstrukcij, nameščenih na silicij, je še en pomemben dejavnik; na splošno je najbolje izbrati podkonstrukcije, katerih vrednosti CTE so blizu vrednosti silicija, saj se tako zmanjšajo izgube zaradi Joulovega segrevanja vzdolž električnih sledi.