AlN is een stabiele covalente bindingsverbinding met een hexagonale wurtzietstructuur en geen andere homomorfen. De kristalstructuur bestaat uit de AlN4-tetraëder die wordt geproduceerd door de omzetting van aluminiumatomen en aangrenzende stikstofatomen. De ruimtegroep is P63mc en behoort tot het hexagonale systeem.
schematisch diagram van AlN-kristalstructuur
De belangrijkste kenmerken van AlN-keramiek
(1) Hoge thermische geleidbaarheid, 5-10 keer die van aluminiumoxide-keramiek;
(2) De thermische uitzettingscoëfficiënt (4,3×10-6/℃) komt overeen met het halfgeleider-siliciummateriaal (3,5-4,0×10-6/℃);
(3) Goede mechanische eigenschappen;
(4) Uitstekende elektrische prestaties, met een zeer hoge isolatieweerstand en laag diëlektrisch verlies;
(5) Meerlaagse bedrading kan worden uitgevoerd om een hoge dichtheid en miniaturisatie van de verpakking te bereiken;
(6) Niet-giftig, bevorderlijk voor de bescherming van het milieu.
Verschillende factoren die de thermische geleidbaarheid van AlN-keramisch substraat beïnvloeden
Bij 300K is de theoretische thermische geleidbaarheid van AlN-monokristalmateriaal zo hoog als 319W/(m·K), maar in het feitelijke productieproces kunnen, als gevolg van de zuiverheid van het materiaal, interne defecten (dislocatie, porositeit, onzuiverheden, roostervervorming) optreden. ), korreloriëntatie en sinterproces en andere factoren, zal ook de thermische geleidbaarheid ervan worden beïnvloed, vaak lager dan de theoretische waarde.
factoren die de thermische geleidbaarheid van AlN-keramiek beïnvloeden
Effect van microstructuur op thermische geleidbaarheid
Het warmtegeleidingsmechanisme van AlN met één kristal is fonon-warmteoverdracht, dus de thermische geleidbaarheid van AlN-substraat kan voornamelijk worden beïnvloed door de verstrooiingscontrole van kristalgrens, grensvlak, tweede fase, defect, elektron en fonon zelf. Volgens de rooster-vaste-trillingstheorie is de relatie tussen fononverstrooiing en thermische geleidbaarheid λ als volgt:
λ=l/3cv, waarbij c de warmtecapaciteit is, v de gemiddelde snelheid van fononen en l het gemiddelde vrije pad van fononen is.
Uit de bovenstaande formule blijkt dat de thermische geleidbaarheid λ van aluminiumnitride evenredig is met het gemiddelde vrije pad l van fononen, en hoe groter l is, hoe hoger de thermische geleidbaarheid. Vanuit het perspectief van de microstructuur zal de interactie tussen fononen en fononen, de interactie tussen fononen en onzuiverheden en korrelgrensdefecten verstrooiing veroorzaken, wat het gemiddelde vrije pad van fononen zal beïnvloeden, en dus de thermische geleidbaarheid ervan zal beïnvloeden.
De microstructuur van AlN heeft een grote invloed op de thermische geleidbaarheid ervan. Om aluminiumnitridesubstraat met hoge thermische geleidbaarheid te verkrijgen, is het noodzakelijk om de defecten van aluminiumnitridekristallen en het gehalte aan onzuiverheden te minimaliseren.
Effect van het gehalte aan zuurstofonzuiverheden op de thermische geleidbaarheid
Studies tonen aan dat AlN een sterke affiniteit heeft met zuurstof en gemakkelijk te oxideren is, wat resulteert in een aluminiumoxidefilm op het oppervlak. Door het oplossen van zuurstofatomen in Al2O3 vervangt het de positie van stikstofatomen in AlN, waardoor een aluminium vacature ontstaat en een zuurstofdefect ontstaat. De specifieke reactie is als volgt:
Al2O3 → 2Al+3O, waarbij ON de positie is waar zuurstofatomen stikstof in het aluminiumnitriderooster vervangen, en VAL de vacature van aluminium is.
De resulterende aluminiumvacature verstrooit de fononen, wat resulteert in een afname van het gemiddelde vrije pad van de fononen, waardoor de thermische geleidbaarheid van het AlN-substraat ook afneemt.
Er wordt geconcludeerd dat de soorten defecten in het AlN-rooster verband houden met de concentratie van zuurstofatomen.
Wanneer de zuurstofconcentratie lager is dan 0,75%, worden de zuurstofatomen gelijkmatig verspreid in het AlN-rooster, waarbij de stikstofatomen in het AlN worden vervangen, en worden de aluminiumgaten gevormd.
Wanneer de zuurstofconcentratie niet minder dan 0,75% bedraagt, zal de positie van de aluminiumatomen in het AlN-rooster veranderen en zal de aluminiumvacature verdwijnen, wat resulteert in octaëdrische defecten.
Wanneer de concentratie zuurstofatomen hoger is, zal het rooster vele soorten inversiedomeinen, zuurstofhoudende laagfouten en andere uitbreidingsdefecten produceren. Door de thermodynamica als uitgangspunt te nemen, is gebleken dat de hoeveelheid zuurstof in het aluminiumnitriderooster wordt beïnvloed door de Gibbs-vrije energie van de aluminaatreactie |ΔG°|. Hoe groter de |ΔG°|, hoe minder zuurstof in het aluminiumnitriderooster, en dus hoe hoger de thermische geleidbaarheid.
Het is duidelijk dat de thermische geleidbaarheid van AlN ernstig wordt beïnvloed door zuurstofonzuiverheden, en het bestaan van zuurstofonzuiverheden is een belangrijke reden voor de afname van de thermische geleidbaarheid ervan.
Geschikte sinteradditieven zorgen ervoor dat de thermische geleidbaarheid wordt verbeterd
Om de thermische snelheid van AlN te verbeteren, wordt tijdens het sinteren gewoonlijk het vereiste sinterhulpmiddel toegevoegd om de sintertemperatuur te verlagen en zuurstof in het rooster te verwijderen, waardoor het doel van het verhogen van de thermische geleidbaarheid van AlN wordt bereikt.
Momenteel wordt er meer aandacht besteed aan de toevoeging van meercomponenten composiet-sinteradditieven. Uit experimenten is gebleken dat wanneer composiet-sinteraids Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 en Y2O3-Dy2O3 aan AlN worden toegevoegd, relatief dichte AlN-monsters met minder zuurstofonzuiverheden en een tweede fase kunnen worden verkregen.
De geschikte sinteradditieven van het composietsysteem kunnen een lage sintertemperatuur van AlN bereiken en de korrelgrens effectief zuiveren, en AlN met hoge thermische geleidbaarheid verkrijgen.
