Почему вам нужны наши услуги, вы знаете, что получаете высококвалифицированных специалистов, обладающих знаниями и опытом, чтобы убедиться, что ваш проект выполнен должным образом и функционирует.
Как новый тип упаковочного материала для электронных устройств, керамика AlN обладает высокой теплопроводностью и прочностью, низким коэффициентом теплового расширения и диэлектрическими потерями, высокой термостойкостью и устойчивостью к химической коррозии, хорошей изоляцией и нетоксичной защитой окружающей среды. Так что это один из самых перспективных керамических материалов по отечественным и международным стандартам.
Керамическая подложка из нитрида алюминия, материал, идеально подходящий для высокопроизводительных, высокосвинцовых и крупногабаритных корпусов чипов, теплопроводность была в центре внимания отрасли. Текущая теплопроводность коммерческой подложки AlN от ее теоретической теплопроводности по-прежнему имеет большой разрыв. Поэтому повышение теплопроводности керамической подложки AlN при снижении температуры спекания керамики AlN имеет большое значение для быстрого развития электронных устройств.
Чтобы приготовить подложки из нитрида алюминия с более высокой теплопроводностью, необходимо исследовать, какие факторы влияют на теплопроводность.
Механизм теплопроводности
Теплопроводность является одним из наиболее важных свойств теплопроводных материалов для измерения теплопроводности. Он является ковалентным соединением и не имеет внутри свободно движущихся электронов, поэтому передача тепла осуществляется в виде колебаний решетки, что называется фононным переносом тепла. Высокотемпературная часть кристалла имеет высокую энергию, а низкотемпературная часть – низкую. Энергия передается от высокого к низкому за счет взаимодействия между фоно, а миграция энергии приводит к теплопроводности.
Фононный теплообмен
Атомы внутри решетки видны как маленькие шарики, которые связаны друг с другом пружинками (ковалентными связями), так что вибрация каждого атома должна притягивать окружающие атомы и проходить через кристалл в виде упругих волн. Эта решеточная вибрация генерирует кванты энергии, называемые фононами, которые взаимодействуют для передачи колебаний, тем самым обеспечивая миграцию энергии и передачу тепла.
Соотношение для теплопроводности K при фононной теплопередаче имеет вид:
Приведенное выше c — это теплоемкость самого керамического тела, v — средняя скорость движения фонона, λ — средний свободный пробег фонона. Теплоемкость самого материала (в) близка к постоянной, а большая теплоемкость нитрида алюминия является одной из причин высокой теплопроводности нитрида алюминия. Скорость фонона (v) связана только с плотностью кристалла и эластичными механическими свойствами, которые также можно рассматривать как константу, поэтому расстояние распространения фонона является ключевым фактором, влияющим на характеристики теплопроводности конечного макроскопического алюминия. нитридная керамика.
Следовательно, из механизма теплопроводности фононов внутри нитрида алюминия ясно, что для высокой теплопроводности необходимо заставить фононы распространяться дальше, чтобы уменьшить сопротивление распространению, которое обычно возникает из-за различного рассеяния во время диффузии фононов. Спеченная керамика обычно имеет различные кристаллические дефекты, примеси, пористость и введенные в нее вторые фазы, которые рассеивают фононы и, таким образом, влияют на конечную теплопроводность.
Ключевые факторы, влияющие на теплопроводность
В ходе непрерывных исследований было подтверждено, что среди множества факторов, влияющих на теплопроводность керамики AlN, особое место занимают микроструктура и содержание примесей кислорода в керамике AlN.
(1) Влияние микроструктуры керамики AlN на теплопроводность.
На практике к AlN часто добавляют различные добавки для спекания, чтобы снизить температуру спекания. И одновременно в решетку AlN вводится вторая фаза, что приводит к снижению теплопроводности за счет рассеяния фононов в процессе теплопроводности.
Вторая фаза, вносимая добавками спекающих добавок, может происходить несколькими путями: по распределению ее можно разделить на островки и сплошное распределение по границам зерен; с точки зрения места распределения его можно разделить на распределение в треугольниках границ зерен и другие места на границах зерен. Непрерывно распределенные зерна могут обеспечить более прямой доступ к фононам, а прямой контакт с зернами AlN имеет более высокую теплопроводность, чем изолированные зерна AlN, поэтому для второй фазы лучше иметь непрерывное распределение; Керамика AlN, распределенная по треугольнику границ зерен, дает меньшее интерференционное рассеяние при теплопроводности и может сохранять контакт между зернами AlN, поэтому лучше, чтобы вторая фаза распределялась непрерывно; Керамика AlN, распределенная по треугольнику границ зерен, дает меньше интерференционного рассеяния при теплопроводности и может поддерживать контакт между зернами AlN, поэтому для второй фазы лучше распределяться по треугольнику границ зерен.
Принципиальная схема распределения второй фазывнутри алн кристалл
Кроме того, неравномерное распределение однотипных границ зерен приводит к наличию большого количества пор, что препятствует рассеянию фононов и приводит к снижению теплопроводности AlN. Содержание границ зерен, размер границ зерен и пористость также влияют на характеристики теплопроводности.
Следовательно, при спекании керамики AlN теплопроводность керамики AlN может быть улучшена за счет улучшения процесса спекания такими средствами, как повышение температуры спекания, увеличение времени выдержки и термическая обработка для улучшения внутренних дефектов кристалла и уменьшения сделать так, чтобы вторая фаза распределялась непрерывно, а также как можно больше располагалась на тригональных границах зерен.
(2) Влияние примеси кислорода на теплопроводность.
AlN сильно подвержен гидролизу и окислению, что приводит к окислению поверхности нитрида алюминия, что приводит к образованию алюминиевых вакансионных дефектов в твердом растворе кислорода в решетке AlN. И это приводит к усилению фононного рассеяния, уменьшению среднего свободного пробега и, как следствие, к уменьшению теплопроводности.
Содержание кислорода (вес.%) | Теплопроводность (Вт/м·К) |
0,31 | 130 |
0,24 | 146 |
0,19 | 165 |
0,13 | 171 |
0,12 | 185 |
Содержание кислорода и теплопроводность в решетке AlN
Следовательно, для улучшения теплопроводности эффективным подходом является добавление подходящей добавки для спекания для удаления примесей кислорода в решетке.
Ключевые элементы управления для спекания
AlN представляет собой ковалентное соединение с малым коэффициентом самодиффузии атомов и высокой энергией связи, что затрудняет плотное спекание. Его температура плавления достигает 3000 ℃ и более, а температура спекания даже выше 1900 ℃. Такая высокая температура спекания серьезно ограничивает практическое применение AlN в промышленности.
Кроме того, примеси кислорода в поверхностном слое AlN начинают диффундировать вглубь его решетки только при высоких температурах, поэтому низкотемпературное спекание имеет еще одну функцию, а именно задерживать диффузию примесей кислорода в поверхностном слое вглубь его решетки. внутренней части решетки AlN при спекании и для уменьшения примесей кислорода в решетке, поэтому исследование технологии низкотемпературного спекания является обязательным для получения керамических материалов AlN с высокой теплопроводностью.
В настоящее время в промышленности существуют различные способы спекания керамики AlN, и различные методы спекания могут применяться для получения плотных керамических изделий в соответствии с фактическими потребностями. Независимо от метода спекания, рафинирование исходного порошка AlN и добавление подходящих добавок для низкотемпературного спекания может эффективно снизить температура спекания керамики из нитрида алюминия.
(1) Использование порошка нитрида алюминия с мелкими частицами
Движущей силой процесса спекания нитрида алюминия является поверхностная энергия, а мелкозернистый порошок AlN может улучшить процесс спекания с помощью поверхностной энергии, а мелкозернистый порошок AlN может повысить активность спекания и увеличить движущую силу спекания для ускорения спекания. процесс. Исследования подтвердили, что при уменьшении начального размера частиц исходного порошка AlN в 20 раз скорость спекания керамики увеличится в 147 раз.
Сырье для спекания следует выбирать из порошка нитрида алюминия с малым размером частиц и равномерным распределением, что может предотвратить вторичную рекристаллизацию, а крупные внутренние частицы склонны к аномальному росту зерна, что не способствует спеканию с уплотнением; если частицы распределены неравномерно, отдельные кристаллы склонны к аномальному росту в процессе спекания и влияют на спекание.
Рост зерна нитрида алюминия
Иногда на механизм спекания керамики из нитрида алюминия влияет размер исходного порошка. Порошки нитрида алюминия микронного размера спекаются в соответствии с механизмом объемной диффузии, тогда как порошки нанометрового размера спекаются в соответствии с механизмом диффузии по границам зерен или поверхностной диффузии.
Однако в настоящее время получение мелкодисперсных и однородных порошков AlN очень затруднено, и большинство из них получают мокрым химическим методом в сочетании с методом углеродного термического восстановления, что является не только сложным в процессе спекания, но и энергозатратным, а также все еще существуют некоторые ограничения для крупномасштабного продвижения и применения. Внутренние запасы высокоэффективного порошка нитрида алюминия с малым размером частиц все еще очень скудны.
(2) Выбор низкотемпературных спекающих добавок для керамики из нитрида алюминия.
Добавляя в процесс спекания некоторые добавки с низкой температурой плавления, можно получить жидкую фазу, способствующую плотному спеканию. Кроме того, некоторые добавки для спекания могут не только генерировать жидкую фазу, но и реагировать с примесями кислорода в решетке, что может играть роль удаления примесей кислорода для очистки решетки, тем самым улучшаятеплопроводность керамики AlN.
Принципиальная схема процесса действия спекающих добавок
Однако спекающие добавки не следует добавлять вслепую, а добавляемое количество должно быть соответствующим, иначе это может иметь пагубные последствия. Спекающие добавки вводят вторую фазу, и контроль распределения второй фазы оказывает большое влияние на теплопроводность.
После исследований при выборе низкотемпературных спекающих добавок для керамики AlN следует руководствоваться следующими моментами:
1) добавка имеет низкую температуру плавления и способна образовывать жидкую фазу при более низкой температуре спекания и способствовать спеканию через жидкую фазу;
2) добавки могут вступать в реакцию с Al2O3 для удаления примесей кислорода и очистки решетки AlN, улучшая тем самым теплопроводность;
3) Добавки не реагируют с AlN во избежание образования дефектов;
4) Добавки не вызывают разложения и окисления AlN с образованием Al2O3 и AlON, что позволяет избежать резкого снижения теплопроводности керамики из нитрида алюминия.
В качестве спекающих добавок оказались пригодными материалы Y2O3, CaO, Li2O, BaO, MgO, SrO2, La2O3, HfO2 и CeO2, которые не реагируют с AlN, а также некоторые фториды редкоземельных и щелочноземельных металлов и небольшое количество соединений с восстановительными свойствами (CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN и др.).
При использовании только одной спекающей добавки спекание при атмосферном давлении обычно требует температуры выше 1800°C. Использование составных добавок и разработка разумных добавок и соотношений могут еще больше эффективно снизить температуру спекания, и в настоящее время это также широко используемый метод низкотемпературного спекания нитрида алюминия.
Краткое содержание
Область применения электронной упаковки с керамической подложкой из нитрида алюминия становится все более и более распространенной, в этой области также было построено несколько отечественных предприятий, однако, по сравнению с давно близким Красным морем зарубежных рынков, разработка керамической подложки из нитрида алюминия в Китае является все еще в зачаточном состоянии, в подготовке и производстве высокопроизводительного порошка и подложки с высокой теплопроводностью все еще есть определенный пробел. Глубокое понимание механизма материала, от корня правильной медицины, для того, чтобы поднять индустрию керамических подложек в Китае на более высокий уровень.
Ссылка:
Подготовка подложки из керамики AIN с высокой теплопроводностью и упаковка для мощных светодиодов, Ли Хунвэй, Китайский университет Цзилян.
Эта статья перепечатана с сайта 360powder.com.
Почему вам нужны наши услуги, вы знаете, что получаете высококвалифицированных специалистов, обладающих знаниями и опытом, чтобы убедиться, что ваш проект выполнен должным образом и функционирует.
если вы хотите получить бесплатную консультацию, пожалуйста, начните заполнять форму:
Получайте информацию о распродажах, новости и обновления на свой почтовый ящик.