Lange tijd hebben de meeste substraatmaterialen van hybride geïntegreerde schakelingen met hoog vermogen Al2O3- en BeO-keramiek gebruikt, maar de thermische geleidbaarheid van het Al2O3-substraat is laag en de thermische uitzettingscoëfficiënt komt niet goed overeen met die van Si. Hoewel de uitgebreide prestaties van BeO uitstekend zijn, beperken de hoge productiekosten en de zeer giftige tekortkomingen de toepassing en promotie ervan. Daarom kunnen de twee, gezien de prestaties, kosten en milieubeschermingsfactoren, niet voldoen aan de behoeften van moderne elektronische stroomapparaten en ontwikkeling.
Aluminiumnitride-keramiek heeft uitstekende uitgebreide eigenschappen, is een nieuwe generatie geavanceerde keramiek waar de afgelopen jaren veel aandacht aan is besteed, en heeft in veel opzichten een breed scala aan toepassingsmogelijkheden, vooral de voordelen van hoge thermische geleidbaarheid en lage diëlektrische constante , laag diëlektrisch verlies, uitstekende elektrische isolatie, thermische uitzettingscoëfficiënt die overeenkomt met silicium en niet-toxiciteit. Hierdoor is het een ideaal materiaal voor geïntegreerde printplaten en -pakketten met hoge dichtheid, hoog vermogen en hoge snelheid.
Hoge thermische geleidbaarheid is het belangrijkste kenmerk van aluminiumnitridesubstraat. Het belangrijkste mechanisme is: door rooster- of roostertrilling, dat wil zeggen door roostergolf- of thermische golfwarmteoverdracht.
AlN-keramiek is isolerende keramische materialen. Voor het isoleren van keramische materialen wordt warmte-energie overgedragen door atomaire trillingen, die behoren tot fonon-warmtegeleiding. Fononen spelen een belangrijke rol in het warmtegeleidingsproces. De thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride kan theoretisch 320w/ (m·k) bereiken. Wat veroorzaakt deze kloof?
Er zijn onzuiverheden en defecten in aluminiumnitride, waardoor de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitridesubstraat verre van de theoretische waarde is. De onzuiverheidselementen in het aluminiumnitridepoeder zijn voornamelijk zuurstof en koolstof, en er is ook een kleine hoeveelheid metaaliononzuiverheden, die verschillende defectvormen in het rooster veroorzaken, en de verstrooiing van deze defecten op het fonon zal de thermische geleidbaarheid verminderen.
Dus wat zijn de factoren die het gemiddelde vrije pad van fononen beïnvloeden?
1. Tijdens het warmteoverdrachtsproces zullen de defecten, korrelgrenzen, gaten, elektronen en fononen zelf fononverstrooiing veroorzaken, waardoor het gemiddelde vrije pad van fononen wordt verminderd en de thermische geleidbaarheid verder wordt beïnvloed.
Onzuivere zuurstof en Al2O3 spelen een belangrijke rol bij de verstrooiing van fonondefecten.
1. Omdat AlN gemakkelijk kan worden gehydrolyseerd en geoxideerd, wordt er een laag Al2O3 gevormd op het oppervlak en wordt Al2O3 opgelost in het AlN-rooster, waardoor aluminiumvacatures ontstaan. 2.AlN heeft een sterke affiniteit met zuurstof, waardoor het aluminiumnitriderooster gemakkelijk binnendringt, en de zuurstof in het rooster heeft een hoge verdringingsoplosbaarheid, waardoor zuurstofdefecten gemakkelijk ontstaan.
De relatie tussen defecten in het AlN-rooster en de zuurstofconcentratie:
Wanneer [O] <0,75% O uniform verdeeld is in het AlN-rooster, bezet het de N-positie in AlN en gaat het gepaard met Al-vacature.
Wanneer [O] ≥0,75% de positie van het Al-atoom verandert, wordt tegelijkertijd de Al-vacature geëlimineerd en wordt er een octaëdrische defect gevormd.
Bij hogere concentraties zullen uitgebreide defecten worden gevormd, zoals zuurstofhoudende laagfouten, inversiedomeinen, polylichamen, enz.
De aanwezigheid van zuurstofonzuiverheden heeft een ernstige invloed op de thermische geleidbaarheid van AlN. De aanwezigheid van zuurstofdefecten vergroot de dwarsdoorsnede van het verstrooiingsgebied van fononen en verlaagt de thermische geleidbaarheid van AlN.
Daarom heeft de aanwezigheid van zuurstofonzuiverheden een ernstige invloed op de thermische geleidbaarheid van AlN, wat de belangrijkste factor is voor de vermindering van de thermische geleidbaarheid.
Samenvattend wordt aluminiumnitride-keramiek met zijn unieke uitgebreide eigenschappen, vooral zijn hoge thermische geleidbaarheid, lage diëlektrische constante, laag diëlektrisch verlies, uitstekende elektrische isolatie en silicium-matchende thermische uitzettingscoëfficiënt en niet-toxiciteitseigenschappen, het ideale materiaal voor moderne hoge-dichtheid , krachtige en snelle geïntegreerde printplaat en verpakking. De werkelijke thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride-keramiek is echter vaak veel lager dan de theoretische waarde, wat voornamelijk te wijten is aan de aanwezigheid van onzuiverheden en defecten in het materiaal, vooral zuurstofonzuiverheden, en het verstrooiende effect op het fonon-warmteoverdrachtsproces.
Zuurstofonzuiverheden dringen niet alleen gemakkelijk het aluminiumnitriderooster binnen en vormen zuurstofdefecten, maar veroorzaken ook complexere kristalstructuurveranderingen bij hogere concentraties, zoals octaëdrische defecten, zuurstofhoudende laagfouten, inversiedomeinen, enz., die de thermische geleidbaarheid aanzienlijk verminderen. van aluminiumnitride. Daarom zijn het optimaliseren van het bereidingsproces van Al-nitride-keramiek, het verminderen van het gehalte aan zuurstofonzuiverheden en het beheersen van de vorming van kristaldefecten de sleutel tot het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van Al-nitride-keramiek.
Vooruitkijkend naar de toekomst zullen, met de voortdurende vooruitgang van de materiaalwetenschap en voorbereidingstechnologie, de prestaties van aluminiumnitride-keramiek verder worden verbeterd, en de toepassing ervan op krachtige geïntegreerde schakelingen en andere hightech-gebieden zal beter zijn uitgebreid en diepgaand. Tegelijkertijd zal de diepgaande studie naar het thermische geleidbaarheidsmechanisme en de beïnvloedende factoren van keramiek op basis van aluminiumnitride ook een belangrijke referentie vormen voor de ontwikkeling van andere geavanceerde keramische materialen.
