Тепловая керамика

DLP-подложка alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN со встроенным микроканалом

Гибрид порошка, усов и полимера-предшественника снижает усадку и формирует герметичный канал для жидкостного охлаждения.

KUNWU · Research notes · Подготовлено

Авторизованная публикация с переводом и оригинальными научными иллюстрациями источника. Численные результаты относятся к описанному исследованию, а не к паспортным характеристикам оборудования KUNWU.

Усадка
25.6 ± 0.2%
Трещиностойкость
4.1 ± 0.1 MPa m1/2
Диаметр канала
<467 um

Рост мощности и интеграции при уменьшении размеров силовой электроники повышает требования к теплоотводящим подложкам и охлаждению сложных устройств. Коллектив профессоров Lijuan Zhang и Guangwu Wen из Шаньдунского технологического университета опубликовал в Journal of the European Ceramic Society работу «Fabrication of alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN ceramic substrate with embedded microchannel by DLP». DLP-печать позволила изготовить подложки SiCN со встроенными микрофлюидными каналами. Оптимизация доли нитевидных кристаллов нитрида кремния в смешанном наполнителе уменьшила усадку и повысила трещиностойкость.

Оригинальная иллюстрация источника: сведения о публикации исследования подложек с микроканалами.
01Оригинальная иллюстрация источника: сведения о публикации исследования подложек с микроканалами.

Оригинальная работа: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.118120

Содержание исследования

Разработан комплексный DLP-маршрут получения композитных подложек SiCN для охлаждения мощной электроники. Он включал проектирование материала, разработку формования, оптимизацию структуры и свойств, затем проверку на уровне устройства.

Прекурсором служил полисилазан PSZ, наполнителем — смесь частиц alpha-Si3N4 и нитевидных кристаллов Si3N4. Их соотношение меняли при постоянном суммарном содержании 20 массовых процентов. Изучали реологию, пригодность к печати и термообработке, стремясь снизить усадку полимер-производной керамики и одновременно улучшить механику и теплопроводность.

Сложные несожжённые заготовки печатали светом 405 nm, слоями 50 микрометров с экспозицией 10 s. Обработка при 200°C и пиролиз при 1100°C в азоте превращали органический прекурсор в SiCN. Внутренние микроканалы и поверхностные канавки для схем включали непосредственно при печати, избегая дефектов методов с удаляемыми шаблонами.

Предпочтительным оказалось введение 5 массовых процентов нитевидных кристаллов Si3N4. Мостики через трещины и вытягивание кристаллов повысили трещиностойкость до 4.1 MPa m1/2, а теплопроводящие пути — теплопроводность до 14.8 W m-1 K-1. Большая доля вызывала агломерацию и поры. Закалка в воде и КТ показали отклонение и распределение трещин, заменяющие катастрофическое разрушение постепенным повреждением и улучшающие термостойкость.

На уровне устройства спроектировали змеевидные микроканалы и проверили их методом конечных элементов и экспериментально. При жидкостном охлаждении расчётная максимальная температура подложки снизилась с 400°C примерно до 126°C. Испытания герметичности и циркуляции жидкости оценивали целостность и надёжность каналов, связывая структуру, свойства и функцию.

Следующие оригинальные иллюстрации показывают методы характеристики и результаты исследования.

Рисунок 1. Морфология поверхности DLP-керамики alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN после обработки при 1100°C и кислотного травления.
02Рисунок 1. Морфология поверхности DLP-керамики alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN после обработки при 1100°C и кислотного травления.
Рисунок 2. (a) Усадка; (b) объёмная плотность и пористость после обработки при 1100°C.
03Рисунок 2. (a) Усадка; (b) объёмная плотность и пористость после обработки при 1100°C.
Рисунок 3. (a) Трещиностойкость; (b) прочность при изгибе DLP-керамики alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN.
04Рисунок 3. (a) Трещиностойкость; (b) прочность при изгибе DLP-керамики alpha-Si3N4/Si3N4w/SiCN.
Рисунок 4. Поверхности разрушения напечатанных композитных керамических образцов.
05Рисунок 4. Поверхности разрушения напечатанных композитных керамических образцов.
Рисунок 5. (a) TEM и (b) HRTEM после обработки при 1100°C.
06Рисунок 5. (a) TEM и (b) HRTEM после обработки при 1100°C.
Рисунок 6. КТ после закалки с перепадом температуры 1000°C: (a) трёхмерная реконструкция поверхности; (b) внутренней структуры; (c) двумерная проекция.
07Рисунок 6. КТ после закалки с перепадом температуры 1000°C: (a) трёхмерная реконструкция поверхности; (b) внутренней структуры; (c) двумерная проекция.
Рисунок 7. Температура подложки при идеализированном охлаждении: (a) до охлаждения; (b) после.
08Рисунок 7. Температура подложки при идеализированном охлаждении: (a) до охлаждения; (b) после.
Рисунок 8. Образцы на платформе печати.
09Рисунок 8. Образцы на платформе печати.
Рисунок 9. Микрофлюидные каналы: (a) трёхмерная морфология; (b) трёхмерная топология и шероховатость.
10Рисунок 9. Микрофлюидные каналы: (a) трёхмерная морфология; (b) трёхмерная топология и шероховатость.

Выводы

Оптимизация наполнителя из частиц alpha-Si3N4 и нитевидных кристаллов Si3N4 дала эффективные подложки SiCN со встроенными каналами. При 5 массовых процентах кристаллов трещиностойкость достигла 4.1 ± 0.1 MPa m1/2; источник описывает улучшение примерно в 1.32 раза относительно состава без них. Прочность при изгибе составила 369.8 ± 12.1 MPa. Теплопроводность при 800°C — 14.80 ± 0.07 W m-1 K-1, примерно вдвое выше матрицы.

Критический перепад температуры при термоударе вырос до 730°C. Источник сравнивает его с 621°C без нитевидных кристаллов и указывает прирост 119°C; эти числа содержат арифметическое несоответствие. Линейная усадка составила около 25.6 ± 0.2%: речь о контроле размеров, а не о безусадочном изготовлении.

DLP позволила получить подложки со змеевидными каналами диаметром около 467 микрометров, хорошей герметичностью и целостностью границ. Моделирование предсказало уменьшение максимальной температуры с 400°C примерно до 126°C при жидкостном охлаждении.

Работа объединила сложность структуры, механические характеристики и теплоотвод, предложив перспективный маршрут изготовления охлаждающих подложек для мощной электроники.

Источники