Yalıtım levhalarında neden siyah silisyum karbür kullanılır?

Yalıtım levhalarında neden siyah silisyum karbür kullanılır?

Siyah SiC, yüksek sıcaklık ortamının zorluklarına doğrudan çözüm getiren benzersiz özellik kombinasyonu nedeniyle tercih edilmiştir.

1. Olağanüstü Termal Şok Direnci

Bu, en önemli nedendir. SiC’nin çok  yüksek bir ısı iletkenliği vardır  (yaklaşık 120-140 W/m·K), bu da bir yalıtım levhası için mantıksız görünebilir. Bununla birlikte, gözenekli, yalıtkan bir matris içinde bir agregat olarak kullanıldığında, bir “ısı otoyolları” ağı görevi görür.

• Mekanizma:  Levhanın bir tarafı hızla ısıtıldığında, SiC parçacıkları termal enerjiyi malzeme boyunca hızla dağıtarak, şiddetli termal gradyanların oluşmasını ve çatlamaya neden olan gerilimleri önler. Çevredeki gözenekli matris ise genel yalıtım değerini sağlamaya devam eder.

2. Yüksek Mekanik Mukavemet ve Sertlik

• SiC, mevcut en sert malzemelerden biridir (Mohs sertliği ~9,5). Bu malzemenin eklenmesi, devre kartının şu özelliklerini önemli ölçüde artırır:

  • Soğukta Ezilme Dayanımı:  Levha, oda sıcaklığında ağır yüklere dayanabilir.

  • Aşınma Direnci:  Levha, gaz akışlarından veya fiziksel temastan dolayı aşınmaya daha az eğilimlidir.

  • Yüksek Sıcaklık Dayanımı (Sıcak Kırılma Modülü):  Diğer malzemelerin yumuşayacağı sıcaklıklarda mukavemetini korur.

3. Yüksek Isı İletkenliği (Stratejik Bir Avantaj Olarak)

Daha önce de belirtildiği gibi, bu sadece ısıyı engellemek için değil, ısıyı yönetmek için kullanılır   . Şunlara olanak tanır:

• Anakartı hasar vermeden daha hızlı ısınma ve soğuma döngüleri.

• Fırın veya ocak içindeki sıcaklık dağılımının daha homojen olması.

4. Mükemmel Isıya Dayanıklılık

• Siyah SiC, yüksek bir erime noktasına (yaklaşık 2.730°C veya 4.946°F) sahiptir ve inert veya indirgeyici ortamlarda yaklaşık 1.600°C’ye kadar kararlıdır. Bu özelliği, onu en zorlu yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun hale getirir.

Başlıca Hususlar ve Zorluklar

Siyah SiC kullanımının da bazı dezavantajları vardır ve bunlar üretim ve uygulama sırasında dikkatlice yönetilmelidir.

1. Oksidasyon

• Sorun:  Oksitleyici bir ortamda (hava) yaklaşık 900°C’nin üzerinde, SiC oksitlenmeye başlar ve yüzeyinde bir silika (SiO₂) tabakası oluşturur.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• Sonuçları:

  • SiO₂ tabakası zamanla SiC parçacıklarının kademeli olarak bozulmasına ve zayıflamasına yol açabilir.

  • Oksidasyon süreci, hacimde hafif bir genişlemeye neden olur ve bu da iç gerilimler yaratabilir.

• Önlem:  Üreticiler genellikle karışıma antioksidanlar (örneğin, metalik silikon) eklerler; bu antioksidanlar öncelikli olarak oksitlenerek SiC parçacıklarını korur.

2. Maliyet

• Siyah silisyum karbür, kalsine edilmiş çakmaktaşı kili, boksit veya hatta beyaz erimiş alümina gibi diğer yaygın refrakter agregalardan daha pahalıdır. Bu da yalıtım levhasının nihai maliyetini artırır.

3. Yalıtım için Kontrollü Gözeneklilik

• SiC yoğun ve iletken olduğundan, üretici, düşük termal iletkenliği korumak için kartın geri kalan yapısını dikkatlice tasarlamalıdır. Bu genellikle şu şekilde yapılır:

  • Alümina baloncukları  veya  mulit küreleri gibi yüksek gözenekli dolgu maddeleri kullanılarak  .

  • Hava boşlukları bırakan organik yakma malzemelerinin kullanımı.

  • İnce, kapalı hücreli gözenek yapısı oluşturmak.

Tipik bir SiC katkılı yalıtım levhasının bileşimi

Tipik bir formülasyon şöyle görünebilir:

• %60-70:  Alümina Kabarcıkları / Mulit Agregaları (Birincil Yalıtım Bileşeni)

• %15-25:  Siyah Silisyum Karbür Tanecik (Takviye Agregası)

• %10-15:  Reaktif Alümina Tozu + Kil (Bağlayıcı Matris)

• %1-3:  Antioksidan Katkı Maddeleri (ör. Silikon Metal Tozu)

• + Bağlayıcılar:  Pişirmeden önce ham hamuru bir arada tutmak için kullanılan fosfatlar veya kolloidal silika gibi maddeler.

Ortak Uygulamalar

Siyah SiC içeren devre kartları en zorlu alanlarda kullanılır:

• Fırının Sıcak Yüzeyleri:  Doğrudan alevlere ve yüksek sıcaklıklara maruz kalan iç astar.

• Fırın Arabası Üstleri:  Silindirli ocak veya tünel fırında pişirilen eşyaları tutan, yüksek mukavemet ve termal şok direnci gerektiren yapı.

• Brülör Blokları:  Sıcaklık değişimlerinin aşırı olduğu yüksek hızlı brülörlerin etrafını saran bloklar.

• Isıl İşlem Fırınları:  Hızlı döngü gerektiren işlemler için.

• Yedek Yalıtım:  Yapısal bütünlüğü sağlamak için yoğun refrakter dökme malzemelerin arkasına yerleştirilir.

Özet: Siyah SiC ve Alternatifleri

Çözüm

Siyah silisyum karbür, standart bir seramik yalıtım levhasını yüksek performanslı, dayanıklı ve termal olarak sağlam bir ürüne dönüştüren üstün bir katkı maddesidir.  Başlıca görevi, hızlı sıcaklık değişimlerinin ve mekanik stresin sürekli bir zorluk olduğu ortamlarda eşsiz termal şok direnci ve yapısal bütünlük sağlamaktır. Maliyeti ve oksidasyona karşı hassasiyeti dezavantajları olsa da, kritik uygulamalardaki performans avantajları onu vazgeçilmez bir malzeme haline getirmektedir.