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窒化ケイ素セラミックス は強力な共有結合化合物であるため、熱伝達は格子振動を通じてのみ完了し、密度、相組成、微細構造、格子酸素などの要因の影響を受け、窒化ケイ素セラミックスの実際の熱伝導率は通常、理論値よりもはるかに低く、これが現在、窒化ケイ素基板の応用を制限する最大のボトルネックとなっています。

密度と相構成

一般的に、セラミックス内の気孔を減らすと微細構造がよりコンパクトになるため、材料内のフォノンの伝導経路がより連続的になり、フォノンの散乱が減少します。したがって、窒化ケイ素セラミックスの密度を可能な限り高めることは、高熱伝導率の窒化ケイ素セラミックスを得るための前提条件です。

窒化ケイ素セラミックスも熱伝導率に大きな影響を与えます。窒化ケイ素にはαとβの2つの結晶相があり、α-Si3N4の構造対称性が低いため、そのセルにはより多くの空洞があり、より多くの不純物イオンを収容でき、フォノンの散乱効果が強くなります。また、α-Si3N4の酸素含有量はβ-Si3N4よりもはるかに高く、酸素不純物は固溶反応を起こしてシリコン空孔を生成し、フォノン散乱を引き起こし、熱伝導率の低下につながります。液相焼結プロセスでは、α相が徐々にβ相に変化します。α相含有量に対するβ相含有量の増加に伴い、窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率は徐々に増加します。

微細形態学

粒径、粒界膜厚、ガラス相含有量は、窒化ケイ素の熱伝導率に重要な影響を及ぼします。 窒化ケイ素セラミックスの液相焼結の過程で、高温で添加剤と表面のSiO2が反応して形成される窒素酸化物の液相は、セラミックスの緻密化を促進します。 冷却後、液相は窒化ケイ素セラミックスに残り、熱伝導率は非常に低くなります。 形成されたガラス相の一部は、厚さ約1〜2nmの粒界膜の形で存在し、余分なガラス相の別の部分は、β-Si3N4の長棒状粒子の接合部にガラスエンベロープを形成します。 熱伝導率の低い粒界相含有量が高いほど、窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率は低くなります。

また、粒径の増加は熱伝導率の向上に寄与するが、粒径が臨界値に達すると、粒径の増加は窒化ケイ素の熱伝導率の向上に明らかな影響を与えなくなる。したがって、高温焼結と長期の熱保存を通じてのみ窒化ケイ素の異常な粒成長を促進しても熱伝導率を継続的に向上させることはできず、他のより効果的な方法を模索する必要がある。

格子酸素含有量

異なる焼結システムにおいて、窒化ケイ素の熱伝導率はその格子酸素含有量と負の相関関係にあります。研究者は長い間、窒化ケイ素の熱伝導率を向上させるために、窒化ケイ素中の固溶体の格子酸素含有量を減らすことに焦点を当ててきました。焼結温度を上げて高温保持時間を長くすることで、窒化ケイ素は完全に溶解して粘度の低い液相に沈殿し、格子欠陥を減らして粒径を大きくすることができます。これは窒化ケイ素の熱伝導率を向上させる上で重要な役割を果たしますが、その結果生じる高コストは、高熱伝導性窒化ケイ素基板の普及と応用につながりません。

そのため、高純度で酸素含有量の少ない粉末を選択し、非酸化物焼結助剤などを導入することで、液相の組成を調整することができます。酸素含有量の少ない液相は、β-Si3N4の格子酸素の形成を妨げ、熱伝導率を大幅に向上させることができます。現在、低格子酸素含有量の窒化ケイ素粉末が大きな進歩を遂げていない背景では、対応する酸化物焼結助剤の代わりに非酸化物を使用し、液相の組成を調整して格子酸素含有量を調整し、窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率を向上させることが経済的で効果的な方法です。