السيراميك الحراري
ركيزة DLP من alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN بقناة دقيقة مدمجة
مزيج من المسحوق والشعيرات وبوليمر سابق للسيراميك يقلل الانكماش ويشكل قناة محكمة للتبريد السائل.
إعادة نشر مأذون بها، مع نص مترجم والأشكال العلمية الأصلية للمصدر. تخص النتائج الرقمية الدراسة المذكورة، وليست مواصفات لمعدات KUNWU.
- الانكماش
- 25.6 ± 0.2%
- متانة الكسر
- 4.1 ± 0.1 MPa m1/2
- قطر القناة
- <467 um
تتجه إلكترونيات القدرة إلى قدرة أعلى وتكامل أكبر وأبعاد أصغر، مما يزيد متطلبات تبديد الحرارة وكفاءة التبريد. نشر فريق بقيادة الأستاذين ليجوان تشانغ وغوانغوو ون من جامعة شاندونغ للتكنولوجيا دراسة بعنوان Fabrication of alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN ceramic substrate with embedded microchannel by DLP في Journal of the European Ceramic Society. استخدمت الدراسة طباعة DLP ثلاثية الأبعاد لإنتاج ركائز SiCN ذات قنوات ميكروسيالية مدمجة. وأدى تحسين نسبة شعيرات نتريد السيليكون في الحشو المختلط إلى خفض الانكماش وتحسين متانة الكسر.
البحث الأصلي: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.118120
منهج البحث
طورت الدراسة مسار DLP متكاملاً لركائز SiCN المركبة المخصصة لتبريد إلكترونيات القدرة العالية. شمل العمل أربع مراحل: تصميم منظومة المواد، وتطوير عملية التشكيل، وتحسين البنية والخواص، والتحقق على مستوى الجهاز.
استُخدم البولي سيلزان PSZ مادةً بادئة، مع جسيمات alpha-Si3N4 وشعيرات Si3N4 كحشو مختلط. تغيرت نسبتهما مع تثبيت إجمالي الحشو عند 20% وزناً. دُرست التأثيرات في الريولوجيا وقابلية الطباعة والمعالجة الحرارية بهدف الحد من انكماش السيراميك المشتق من البوليمر وتحسين الخواص الميكانيكية والحرارية معاً.
استُخدمت إضاءة بطول موجي 405 نانومتر وطبقات بسماكة 50 ميكرومتراً وزمن تعريض 10 ثوانٍ لطباعة أجسام معقدة غير ملبدة. حوّلت المعالجة عند 200°C ثم التحلل الحراري عند 1100°C في النيتروجين المادة العضوية البادئة إلى سيراميك SiCN. أُدمجت القنوات الداخلية وأخاديد الدوائر السطحية أثناء الطباعة، لتجنب عيوب طرق القوالب التضحية.
حددت الاختبارات إضافة 5% وزناً من شعيرات Si3N4 بوصفها النسبة المفضلة. رفعت آليتا تجسير الشقوق وسحب الشعيرات متانة الكسر إلى 4.1 MPa m1/2، بينما رفعت مسارات التوصيل الناقلية الحرارية إلى 14.8 W m-1 K-1. أدت النسب الأعلى إلى مسام مرتبطة بالتكتل. وأظهرت اختبارات الإخماد بالماء والتصوير المقطعي انحراف الشقوق وتوزعها، فتحول الكسر المفاجئ إلى تلف تدريجي وتحسنت مقاومة الصدمة الحرارية.
على مستوى الجهاز، صُممت قنوات متعرجة وقُيمت بالمحاكاة بالعناصر المحدودة والتجارب. في ظروف التبريد بالسائل انخفضت درجة الحرارة القصوى المحسوبة للركيزة من 400°C إلى نحو 126°C. واختُبرت إحكامية القنوات ودوران السائل لربط البنية بالخواص والوظيفة.
تعرض الأشكال الأصلية التالية طرق التوصيف ونتائج الدراسة.
الاستنتاجات
أنتج تحسين حشو جسيمات alpha-Si3N4 وشعيرات Si3N4 ركائز SiCN عالية الأداء ذات قنوات مدمجة. عند 5% وزناً من الشعيرات بلغت متانة الكسر 4.1 ± 0.1 MPa m1/2؛ ويصف المصدر التحسن بأنه نحو 1.32 مرة مقارنة بالمادة الخالية من الشعيرات. بلغت مقاومة الانحناء 369.8 ± 12.1 MPa، والناقلية الحرارية عند 800°C مقدار 14.80 ± 0.07 W m-1 K-1، أي نحو ضعف المصفوفة.
ارتفع فرق الحرارة الحرج للصدمة الحرارية إلى 730°C. يقارن المصدر ذلك بقيمة 621°C دون شعيرات ويذكر زيادة 119°C؛ وهذه الأرقام تتضمن تناقضاً حسابياً في المصدر. ضُبط الانكماش الخطي عند نحو 25.6 ± 0.2%، مما يدعم التحكم بالأبعاد ولا يعني التصنيع دون انكماش.
أنتجت DLP ركائز بقنوات متعرجة قطرها نحو 467 ميكرومتراً مع إحكام جيد وسلامة في الواجهات. وتنبأت المحاكاة الحرارية بانخفاض الحرارة القصوى من 400°C إلى نحو 126°C بالتبريد السائل.
جمعت الدراسة بين تعقيد البنية والأداء الميكانيكي وتبديد الحرارة، وقدمت مساراً محتملاً لتصنيع ركائز تبريد إلكترونيات القدرة العالية.