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氮化硅（Si?N?）的本征熱導(dǎo)率大約320 W/(m·K)，是一種具有高導(dǎo)熱性能及優(yōu)越機(jī)械特性的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。在常溫下，它表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，因此成為當(dāng)代廣受歡迎的半導(dǎo)體陶瓷基板封裝材料。盡管如此，氮化硅的實(shí)際熱導(dǎo)率與其理論值之間存在顯著差異。本文旨在探究導(dǎo)致這一差距的因素。

１ 晶格氧

Si?N?的熱導(dǎo)主要依賴于聲子的傳導(dǎo)，而晶格缺陷如空位、層錯(cuò)及晶間雜質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致聲子的散射加劇，從而降低Si?N?的熱導(dǎo)率。

晶格氧是影響Si?N?熱導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。在氧原子進(jìn)入Si?N?的晶格后，會(huì)形成Si空位，這樣顯著縮短了聲子運(yùn)動(dòng)的平均自由程，進(jìn)而降低Si?N?的熱導(dǎo)率。為了進(jìn)一步提升Si?N?的熱導(dǎo)率，可以通過降低原材料中的氧含量來提高燒結(jié)活性，同時(shí)保持原材料的粒徑較小，避免引入額外的氧雜質(zhì)。

Si?N?常用的燒結(jié)助劑也往往會(huì)引入晶格氧。同時(shí)，在液相中會(huì)形成熱導(dǎo)率通常低于1 W/(m·K) 的晶間第二相，這也對(duì) Si?N? 的實(shí)際熱導(dǎo)率產(chǎn)生負(fù)面影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用稀土氧化物作為燒結(jié)助劑時(shí)，氮化硅的晶格氧含量會(huì)因元素離子半徑的減小而降低，在確保燒結(jié)致密度和晶粒尺寸良好的前提下，盡量實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，以降低氮化硅陶瓷基板的生產(chǎn)成本。

此外，引入適量的還原性碳粉可減少二次相的生成，促進(jìn)晶格的純凈度，同時(shí)避免過量游離碳的出現(xiàn)，從而提高熱導(dǎo)率。

2、氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)

氮化硅是一種具有強(qiáng)共價(jià)鍵的化合物，其相對(duì)分子質(zhì)量為140.68,常見的晶體結(jié)構(gòu)有 α-Si?N? 和 β-Si?N?，均歸屬于六方晶系。因氮化硅陶瓷的燒結(jié)溫度通常在 1800 ℃ 以上，β-Si?N? 通常是工業(yè)應(yīng)用中氮化硅陶瓷產(chǎn)品的主要晶相。

（1）β-Si?N?晶粒生長驅(qū)動(dòng)力在α-Si?N?轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si?N?的相變過程中，未轉(zhuǎn)變的α-Si?N?會(huì)顯著影響其熱導(dǎo)率。這表明，為了提高β-Si?N?的導(dǎo)熱性能，有必要通過促進(jìn)α-Si?N?向β-Si?N?的晶型轉(zhuǎn)變，來激勵(lì)β-Si?N?的形核與生長。  

（2）β-Si?N? 晶粒生長形貌β-Si?N?晶粒尺寸的增加，熱導(dǎo)率也明顯提升。延長退火時(shí)間同樣能夠顯著增強(qiáng)氮化硅的熱導(dǎo)性能。然而，當(dāng)晶粒達(dá)到某個(gè)臨界尺寸后，進(jìn)一步促進(jìn)晶粒的增大對(duì)β-Si?N?的導(dǎo)熱性并不會(huì)產(chǎn)生明顯的提升。

3、致密度致密度對(duì)氮化硅的熱導(dǎo)性能具有顯著影響。

隨著氣孔率的增加，氮化硅的實(shí)際熱導(dǎo)率明顯降低。此外，具有較高熱導(dǎo)率的氮化硅陶瓷通常也伴隨著較大的密度和熱擴(kuò)散系數(shù)。使用稀土氧化物可以幫助實(shí)現(xiàn)高致密度的氮化硅陶瓷。

4、燒結(jié)工藝氮化硅陶瓷的致密化需要通過液相燒結(jié)實(shí)現(xiàn)，6種氮化硅陶瓷燒結(jié)工藝對(duì)比如下：

在不同的燒結(jié)工藝和燒結(jié)條件下，Si?N?的致密度會(huì)有所不同。因此，尋找合適的燒結(jié)方法，并結(jié)合有效的手段降低晶格氧含量，是獲取高熱導(dǎo)率Si?N?陶瓷的關(guān)鍵所在。