（Thermische geleidbaarheid van verschillende keramische substraatmaterialen）
Unieke voordelen van aluminium nitride keramiek
Vergeleken met gewone aluminiumoxide (AL2O3) keramiek, heeft aluminium nitride (ALN) keramiek de volgende unieke voordelen:
Het grootste voordeel van aluminiumnitride is de extreem hoge thermische geleidbaarheid.
De theoretische waarde kan 320 w/(m · k) bereiken, wat 5 tot 10 keer die van aluminiumoxide is. Dit betekent dat onder dezelfde werkomstandigheden aluminium nitride -keramiek een grotere warmtefluxdichtheid kan weerstaan. Bij gebruik als verpakkingssubstraten of -grepen, is aluminium nitride-keramiek vooral gunstig voor de warmtedissipatie van high-power chips of modules. Wanneer ze worden gemaakt in aluminium nitride metaalceramische verwarmingselementen (metaal-keramische verwarming), kunnen ze snelle verwarming bereiken. Wanneer ze tot aluminium nitride-elektrostatische klootzakken (elektro-statische klootzak) worden gemaakt, kunnen ze de geadsorbeerde wafels snel voorverwarmen of verwarmen.
Het heeft een lage coëfficiënt van thermische expansie, slechts 4,3 ppm/k, wat dicht bij die van siliciumchips (3,5 - 4,0 ppm/k) ligt. Dit geeft aan dat er een natuurlijke hoge thermische expansie is tussen siliciumchips en aluminium nitride -keramiek, die onzichtbaar de betrouwbaarheid van de verpakking verbetert.
Bovendien zijn de mechanische eigenschappen, elektrische eigenschappen en corrosieweerstand van aluminiumnitride -keramiek vergelijkbaar met die van aluminiumoxide -keramiek.
Aluminium nitride-keramiek kan een hoge thermische geleidbaarheid, lage expansiecoëfficiënt, hoge sterkte en chemische corrosieweerstand combineren, waardoor ze een ideaal warmtedissipatiemateriaal zijn, vooral voor toepassingen in grootschalige geïntegreerde circuits en hoogwaardige elektronische apparaten.
Factoren die de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride -keramiek beïnvloeden
Omdat aluminium nitride -keramiek isolerende vaste stoffen isoleert, is de invloed van elektronen- en fotonwarmteoverdracht extreem klein. Het belangrijkste warmtegeleidingsmechanisme is fonon (roostertrillingen) warmteoverdracht. De AL-N-binding in aluminiumnitride-keramiek heeft een relatief hoge bindingsergie en een korte bindingslengte, dus de fononpropagatiesnelheid is snel, wat de reden is voor zijn hoge thermische geleidbaarheid.
Hoewel theoretisch de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride 320 w/(m · k) kan bereiken, kunnen momenteel slechts enkele bedrijven de thermische geleidbaarheid van aluminium nitride keramiek bereiken 230 w/(m · k). Gewoonlijk is de thermische geleidbaarheid van werkelijke producten slechts 150 - 180 w/(m · k). De factoren die de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride -keramiek beïnvloeden, zijn als volgt:
Uit praktische ervaring omvatten de belangrijkste factoren die de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride -keramiek beïnvloeden roosterdichtheid, zuurstofgehalte, zuiverheid van grondstofpoeders en microstructuur.
Dikte
Monsters met lage dichtheid hebben een groot aantal poriën, die de verstrooiing van fononen zullen beïnvloeden en hun gemiddelde vrije pad zullen verminderen, waardoor de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride -keramiek wordt verminderd. Ondertussen kunnen de mechanische eigenschappen van monsters met lage dichtheid ook niet voldoen aan de vereisten van relevante toepassingen.
Zuurstofgehalte
Omdat aluminiumnitride een sterke affiniteit heeft voor zuurstof, wanneer aluminiumnitride in contact komt met lucht of water, wordt het oppervlak gemakkelijk geoxideerd en vormt het een aluminiumoxidefilm, wat resulteert in aluminium vacatures en zuurstofdefecten. Aluminium vacatures en zuurstofdefecten zijn gemakkelijk te diffunderen in het Aln -rooster tijdens het sinterproces. Nadat aluminium vacatures en zuurstofdefecten zich verspreiden over het aluminium nitridekristalnetwerk, wordt het gemiddelde vrije pad van fononen verminderd, wat leidt tot een afname van de thermische geleidbaarheid.
Rooster defecten
Uit onderzoek is gebleken dat de soorten defecten in het AIN (aluminium nitride keramiek) rooster gerelateerd zijn aan de concentratie van zuurstofatomen. Wanneer de zuurstofconcentratie lager is dan 0,75%, worden zuurstofatomen gelijkmatig verdeeld in het AIN (aluminiumnitride) rooster, waarbij de posities van stikstofatomen in AIN worden vervangen, en aluminium vacatures vergezellen hen. Wanneer de zuurstofconcentratie niet lager is dan 0,75%, zullen de posities van aluminiumatomen in het AIN (aluminium nitride keramiek) rooster veranderen, aluminiumvacatures verdwijnen en worden octaëdrische defecten gegenereerd. Wanneer de zuurstofatoomconcentratie nog hoger is, worden uitgebreide defecten zoals polytypes, inversiedomeinen en zuurstofbattende stapelfouten geproduceerd in zijn rooster.
Maatregelen om de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride -keramiek te verbeteren
Verhoog ten eerste de dichtheid. Kies fijnkorrelige, high-sintering-activity micro-nano-poeders, dope met sinterhulpmiddelen en gebruik met fysiek geassisteerde sinters en andere methoden om de sinterdichtheid van keramiek te verbeteren.
Ten tweede, verminder het zuurstofgehalte en interne defecten. Selecteer hoge zuiverheid, grondstofpoeders met een laag zuurstofgehalte. De opslag van grondstofpoeders en het vormen van semi-afgewerkte producten moeten de invloed van waterdamp vermijden. Tijdens het sinteren van de atmosfeer moet het zuurstofgehalte strikt worden gecontroleerd.
