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高性能電子パッケージング、航空宇宙、エネルギー変換などの最先端技術において、窒化ケイ素 (Si3N4) 基板材料は、その優れた機械的特性、化学的安定性、高温耐性により高く評価されています。しかし、窒化ケイ素の熱伝導率は、その幅広い用途に影響を与える重要な要素の 1 つとして、常に材料科学研究の焦点であり、難しさでもあります。この論文は、窒化ケイ素基板の主な熱伝達メカニズム、つまり格子振動とフォノン伝導を深く調査し、窒化ケイ素基板の熱伝導率に対する焼結助剤の選択と最適化戦略の影響を系統的に分析することを目的としています。窒化シリコン基板の熱管理効率を改善するための理論的基礎と実践的なガイダンス。

熱伝達メカニズムの理解を深める

窒化ケイ素の主な熱伝達メカニズム、つまり格子振動とフォノン伝導は、複雑かつ微細なプロセスです。格子内でのフォノンの非線形伝播と衝突は、格子間結合によって制限されるだけでなく、材料の内部微細構造特性にも深く影響されます。特に、Si3N4 結晶には多くの欠陥 (空孔、転位など)、不純物原子、結晶粒界が存在し、これらがフォノン散乱の中心としてフォノンの平均自由行程を大幅に減少させるため、改善を制限する主なボトルネックとなっています。窒化ケイ素の熱伝導率。最も重要な欠陥タイプの 1 つである格子酸素は、フォノン散乱の確率を高めるだけでなく、格子歪みを引き起こし、熱伝導効率をさらに低下させます。

焼結助剤の最適化戦略

窒化ケイ素の強い共有結合と固相拡散による緻密な焼結の難しさを考慮すると、焼結助剤の選択と適用は特に重要です。従来、MgO、Al2O3、CaO、希土類酸化物などの酸化物が焼結助剤として広く使用されており、低融点の共晶融液を形成することで液相焼結を促進し、それによって窒化ケイ素の密度を高めます。しかし、これらの酸化物焼結助剤は緻密化を同時にもたらしますが、それ自体の熱伝導率が低く、粒界相の変化（サイアロン固溶体の形成など）を引き起こす可能性があり、全体に悪影響を与えるという新たな問題も引き起こします。窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率

この問題を克服するために、科学者は非酸化物焼結助剤の適用を検討し始めました。 MgSiN2 や希土類フッ化物などの非酸化物は、独特の利点を示します。これらは窒化ケイ素の第二相と格子酸素含有量を減らすだけでなく、特定の化学反応 (揮発性 SiF4 を生成するための希土類フッ化物が SiO2 と反応するなど) を通じて粒界相の減少と SiO2 の減少を促進します。格子酸素含有量を効果的に減らし、熱伝導率を向上させるためです。しかし、非酸化物焼結助剤の商業的応用は依然として課題に直面しており、その高コストと供給制約により、大規模生産への応用は制限されている[22]。

総合戦略：酸化物+非酸化物焼結助剤

上記の分析を考慮すると、考えられる解決策は、「酸化物+非酸化物」複合焼結助剤システムを採用することです。この戦略は、2 種類の焼結添加剤の利点を組み合わせることを目的としています。酸化物添加剤は、材料の緻密化を確実にするために必要な液相焼結環境を提供します。非酸化物添加剤は、その独特の化学的特性によって格子酸素含有量をさらに減らし、熱伝導率を高めます。慎重に設計された配合システムにより、生産効率を確保しながら窒化ケイ素基板の熱伝導率を最大化するために、焼結プロセスと最終製品の性能を細かく制御することが可能です。