Коефіцієнт термічного розширення (CTE) карбіду кремнію

Карбід кремнію (SiC) - надзвичайно твердий керамічний матеріал, який широко використовується як абразив і для виробництва високопродуктивних компонентів силової електроніки. Крім того, стійкість SiC до екстремальних температур робить його придатним для використання в промислових умовах.

Однак, коли SiC використовується в електронних пристроях з іншими матеріалами, він може зазнавати механічних навантажень через невідповідність КІН між його КІН та КІН матеріалу, що з'єднує. Узгодження їхніх КІН може допомогти зменшити таку напругу.

Коефіцієнт теплового розширення (CTE)

Коефіцієнт термічного розширення (КТР) - важливий параметр, який вимірює, як матеріал розширюється або стискається під впливом зміни температури, і відіграє важливу роль як у проектуванні, так і у створенні твердих артефактів з різних матеріалів. Якщо не врахувати коефіцієнт термічного розширення, це може спричинити механічну деформацію, яка порушить структурну цілісність конструкцій.

Карбід кремнію cte може похвалитися низьким коефіцієнтом теплового розширення (CTE), що робить його ідеальним для високотемпературних застосувань в електронній промисловості. Завдяки нижчому коефіцієнту теплового розширення, ніж у металів, карбід кремнію може працювати на більш високих рівнях потужності, залишаючись при цьому в твердому стані, що стає все більш важливою характеристикою з огляду на зростання рівнів потужності в інтегральних схемах (ІС). З часом додається все більше рівнів потужності. Термічні властивості, такі як CTE, стануть ще більш важливими.

Карбід кремнію (SiC) - це промисловий матеріал, що складається з двох політипів. Часто плутають альфа-форму (a-SiC), що має кубічну кристалічну структуру суміші цинку, яка нагадує вюрцит і утворюється при температурі вище 1700 градусів, і бета-форму (b-SiC), що має гексагональну структуру, подібну до вюрциту, і утворюється при температурі нижче 1700 градусів відповідно. Обидві форми мають відтінки від чорного до коричневого через домішки заліза в їхньому складі - в той час як обидві форми знаходять застосування в промисловості для наплавлення, в той час як електронні застосування, такі як світлодіоди, що використовувалися в ранніх радіоприймачах, або детектори для ранніх радіоприймачів, які використовують детектори ранніх радіотехнологій, в додатках, що використовують детектори з карбіду кремнію, виготовлені з SiC, який утворюється при температурі вище 1700 градусів за Цельсієм, також утворюються при температурі вище 1700 градусів за Цельсієм.

Як a-SiC, так і b-SiC можна легувати азотом, фосфором, берилієм, алюмінієм або бором для покращення електропровідності, причому сильне легування бором і галієм призводить до отримання матеріалу SiC p-типу. Хоча природний муассаніт може існувати в метеоритах або родовищах корунду в дуже обмежених кількостях, більшість комерційних карбідів кремнію є синтетичними.

Коефіцієнт термічного розширення карбіду кремнію (КТР) може відрізнятися в залежності від його визначення та методу вимірювання: чи розглядається точна температура (істинний коефіцієнт термічного розширення, або a-bar), чи в діапазоні температур (середній коефіцієнт термічного розширення, або a-m). Крім того, кристалографічний напрямок впливає на його значення; для більш точних вимірювань КТР ми використовуємо цифрову кореляцію зображень (ЦКЗ), вимірюючи площинне зміщення від температурних коливань за допомогою методів цифрової кореляції зображень на тестовій структурі для вимірювання площинного зміщення як частини цього методу.

Вимірювання ХТІ

Коефіцієнт теплопровідності вимірює тенденцію молекул матеріалу до більшого або меншого зближення при зміні температури, спричинену силами притягання і відштовхування між атомами кристалічної решітки, які притягуються або відштовхуються один від одного. Теплове розширення сприяє цьому руху при зміні температури - вимірювання істинного або середнього значення КТЗ може дати хороший показник.

Карбід кремнію в чистому вигляді є електричним ізолятором, але з додаванням контрольованих домішок він перетворюється на напівпровідниковий матеріал. Легування карбіду кремнію алюмінієм, бором, галієм або азотом створює напівпровідники P-типу і N-типу відповідно; легування також дозволяє карбіду кремнію працювати при більш високих температурах, напругах і частотах, ніж більшість інших напівпровідників для високотемпературних застосувань.

При підвищенні або зниженні температури всі матеріали дещо розширюються або стискаються; ступінь розширення або стиснення називається коефіцієнтом теплового розширення (КТР). Він показує, наскільки матеріали розширюються або стискаються при зміні температури - безцінний показник, який важливий при проектуванні виробів, що мають бути стабільними в розмірах під час експлуатації.

КІН є складним параметром і повинен вимірюватися за допомогою різних методів. Об'ємні матеріали можуть бути виміряні за допомогою стрижневої дилатометрії або рентгенівської дифракції; однак ці методи недостатні для вимірювання тонких плівок або спеціальних матеріалів; в цих випадках PMIC використовує методи інтерферометрії Майкельсона і кварцової дилатометрії.

Методика вимірювання CTE від PMIC дозволяє нам контролювати деформацію як в заповнених, так і в незаповнених друкованих платах, а також визначати її вплив на вигин друкованої плати, спричинений монтажем схем. Поєднуючи результати цього тесту з даними тензодатчиків, наші клієнти отримують детальне уявлення про те, як їхні схеми працюють в кінцевому застосуванні.

Розрахунок ХТІ

Коефіцієнт теплового розширення (КТР) завжди слід враховувати при проектуванні конструкцій або виробів, будь то архітектурні споруди, такі як хмарочоси або розвідні мости, або інженерні конструкції, такі як інтегровані мікросхеми, що працюють на сучасній техніці. Знання того, як кожен матеріал реагує на зміну температури, є особливо важливим, якщо дотримання точних розмірів є ключовим для функціонування конструкцій, таких як високотехнологічні інженерні системи.

Розрахунок КІН є невід'ємною складовою інженерного проектування, оскільки його вплив на конструкцію або дизайн виробу залежить від його специфічних властивостей і форми. Крім того, розуміння того, як взаємодіють різні матеріали, може дати цінне уявлення про процеси склеювання - і саме тут КІН стає особливо важливим, оскільки нерівномірне розширення може спричинити механічне напруження або навіть незворотні пошкодження.

Однією з ключових змінних при розрахунку КІН є початкова довжина матеріалу. Це пов'язано з тим, що її зміна при зміні температури прямо пропорційна початковій довжині; отже, більша початкова довжина спричинить більшу зміну довжини при зміні температури.

Розрахунок CTE вимагає врахування кількох ключових змінних, зокрема, наскільки швидко або повільно матеріал розширюється або стискається при зміні температури. Матеріали з більшою швидкістю розширення, як правило, мають вищі значення CTE, що може допомогти визначити, який матеріал найкраще підходить для конкретного застосування.

Карбід кремнію має надзвичайно низький коефіцієнт теплового розширення (CTE), що робить його ідеальним матеріалом для використання в дзеркалах телескопів. Крім того, його міцність, твердість і хімічна стійкість роблять його придатним для відбивання світла назад на об'єкти в космосі. Крім того, карбід кремнію може витримувати термічні удари при швидкому нагріванні або охолодженні, не відчуваючи при цьому ударних хвиль; поєднання теплопровідності, низького значення індексу CTE і міцності, що забезпечує корозійну стійкість, додає додаткових переваг цьому матеріалу.

Відповідність ХТІ

Однією з найбільших проблем, пов'язаних зі складанням друкованих плат, є узгодження КТЕ різних матеріалів, що використовуються. Якщо КТЕ не збігаються ідеально, може виникнути механічне напруження, яке послаблює або навіть руйнує зв'язки між компонентами; ця проблема стає особливо очевидною в силових пристроях, які піддаються багаторазовим термічним циклам.

Щоб зменшити напруження, пов'язані з компонентами збірки та клеями, ідеальним способом мінімізації цих напружень є точне узгодження їхніх коефіцієнтів тензочутливості та використання клеїв з подібними коефіцієнтами тензочутливості. Це гарантує, що компоненти монтуються на підкладки зі схожими значеннями КТК, а відповідність також запобігає викривленню через значні перепади температури.

Карбід кремнію (SiC) - надзвичайно тверда хімічна сполука, що складається з кремнію та вуглецю, з'єднаних разом у вигляді порошку та кристалів. Хоча SiC може зустрічатися в природі у вигляді мінералу муассаніту, найчастіше його виробляють у вигляді порошку для ріжучих інструментів або абразивів. SiC також функціонує як напівпровідник, тобто проводить електрику краще, ніж більшість металів, що робить його ідеальним матеріалом для виробництва лазерних діодів та інших електронних пристроїв.

Працюючи з кремнієм, дуже важливо повністю розуміти його термічні властивості, особливо коефіцієнт термічного розширення (КТР). Температурні градієнти можуть створювати як механічні, так і термічні напруження в матеріалі, які можуть призвести до незворотних пошкоджень, якщо їх ігнорувати.

Одним із способів зменшення напружень, пов'язаних з кремнієвими пристроями та сполучними матеріалами, є забезпечення збігу їхніх коефіцієнтів термічного розширення (КТР), що може бути досягнуто шляхом поступового нагрівання та охолодження зі швидкістю, меншою, ніж швидкість охолодження підкладки.

Напруга буде більш рівномірно розподілена по поверхні кремнію, що допоможе зменшити ризик виникнення дефектів або виходу з ладу через нерівномірний розподіл напруги. Ще одним важливим фактором є діелектрична проникність субмікросхем, встановлених на кремній; загалом, найкраще вибирати субмікросхеми, які мають значення діелектричної проникності, близькі до кремнію, оскільки це зменшить джоулеві втрати на нагрівання вздовж електричних доріжок.