Факторы, влияющие на теплопроводность керамических подложек из нитрида алюминия

Являясь новым типом упаковочного материала для электронных устройств, керамика AlN обладает высокой теплопроводностью и прочностью, низким коэффициентом теплового расширения и диэлектрических потерь, стойкостью к высокой температуре и химической коррозии, хорошей изоляцией и нетоксичной защитой окружающей среды. Таким образом, это один из самых перспективных керамических материалов по мнению отечественных и международных экспертов.

Керамическая подложка из нитрида алюминия, материал, идеально подходящий для корпусов мощных чипов с высоким содержанием свинца и крупных размеров, теплопроводность находится в центре внимания отрасли. Текущая теплопроводность коммерческой подложки AlN по-прежнему сильно отличается от ее теоретической теплопроводности. Таким образом, улучшение более высокой теплопроводности керамической подложки AlN при одновременном снижении температуры спекания керамики AlN имеет большое значение для быстрого развития электронных устройств.

Для получения подложек из нитрида алюминия с более высокой теплопроводностью необходимо выяснить, какие факторы влияют на теплопроводность.

Механизм теплопроводности

Теплопроводность является одним из наиболее важных свойств теплопроводных материалов для измерения теплопроводной способности. Оно представляет собой ковалентное соединение и не имеет внутри свободно подвижных электронов, поэтому передача тепла осуществляется в виде колебаний решетки, что называется фононной теплопередачей. Высокотемпературная часть кристалла имеет высокую энергию, а низкотемпературная часть — низкую. Энергия передается от высокого уровня к низкому посредством взаимодействия между фоно, а миграция энергии приводит к передаче тепла.

Фононная теплопередача

Атомы внутри решетки выглядят как маленькие шарики, которые соединены друг с другом пружинами (ковалентными связями), так что вибрация каждого атома должна тянуть за собой окружающие атомы и проходить через кристалл в виде упругих волн. Эти колебания решетки генерируют кванты энергии, называемые фононами, которые взаимодействуют, передая вибрации, тем самым обеспечивая миграцию энергии и передачу тепла.

Зависимость для теплопроводности K при фононной теплопередаче определяется выражением:

Вышеуказанная c — это теплоемкость самого керамического тела, v — средняя скорость движения фонона, а 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 упругими механическими свойствами, которые также можно рассматривать как константу, поэтому расстояние распространения фонона является ключевым фактором, влияющим на характеристики теплопроводности конечного макроскопического алюминия. нитридная керамика.

Поэтому 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 внутри различные кристаллические дефекты, примеси, пористость и введенные вторые фазы, которые рассеивают фононы и, таким образом, влияют на конечную теплопроводность.

Ключевые факторы, влияющие на теплопроводность

Постоянными исследованиями было подтверждено, что среди многих факторов, влияющих на теплопроводность керамики AlN, особенно важны микроструктура и содержание примесей кислорода в керамике AlN.

(1) Влияние микроструктуры керамики AlN на теплопроводность.

В практических целях к AlN часто добавляют различные добавки для спекания для снижения температуры спекания. И в то же время в решетку AlN вводится вторая фаза, что приводит к уменьшению теплопроводности за счет рассеяния фононов в процессе теплопроводности.

Вторая фаза, привносимая добавлением спекающих добавок, может протекать несколькими путями: по распределению ее можно разделить на островковое и сплошное распределение по границам зерен; по месту 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 лучше, чтобы вторая фаза была распределена непрерывно; Керамика AlN, распределенная в треугольнике границ зерен, вызывает меньше интерференционного рассеяния во время теплопроводности и может поддерживать контакт между зернами AlN, поэтому лучше, чтобы вторая фаза распределялась непрерывно; Керамика AlN, распределенная в треугольнике границ зерен, вызывает меньше интерференционного рассеяния во время теплопроводности и может сохранять контакт между зернами AlN, поэтому лучше, чтобы вторая фаза распределялась в треугольнике границ зерен.

Принципиальная схема распределения второй фазы внутри кристалла Aln.

Кроме того, неравномерное распределение однородных границ зерен приводит к наличию большого количества пор, что затрудняет рассеяние 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 можно улучшить за счет улучшения процесса спекания такими средствами, как повышение температуры спекания, увеличение времени выдержки и термообработка для устранения внутренних дефектов кристалла и устранения внутренних дефектов кристалла. сделать вторую фазу распределенной непрерывно, а также максимально расположенной на тригональных границах зерен.

(2) Влияние примесей кислорода на теплопроводность.

AlN сильно подвержен гидролизу и окислению, что приводит к окислению поверхности нитрида алюминия, что приводит к образованию вакансий алюминия в твердом растворе кислорода в решетке AlN. А это приводит к увеличению рассеяния фононов, уменьшению среднего свободного пробега и, как следствие, уменьшению теплопроводности.

Содержание кислорода и теплопроводность в решетке AlN

Поэтому для улучшения теплопроводности эффективным подходом является добавление подходящей спекающей добавки для удаления примесей кислорода в решетке.

Ключевые элементы управления спеканием

AlN представляет собой ковалентное соединение с малым коэффициентом самодиффузии атомов и сильной энергией связи, что затрудняет плотное спекание. Его температура плавления достигает 3000 ℃ и более, а температура спекания даже выше 1900 ℃. Столь высокая температура спекания серьезно ограничивает практическое применение AlN в промышленности.

Кроме того, примеси кислорода в поверхностном слое AlN начинают диффундировать внутрь его решетки только при высоких температурах, поэтому низкотемпературное спекание имеет еще одну функцию – задерживать диффузию примесей кислорода из приповерхностного слоя к внутренней части решетки AlN при спекании и 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 для получения плотных керамических тел в соответствии с фактическими потребностями могут быть использованы различные методы спекания. Независимо от метода спекания, очистка исходного порошка AlN и добавление подходящих добавок для спекания при низких температурах могут эффективно снизить Температура спекания керамики из нитрида алюминия. 

(1) Использование порошка нитрида алюминия небольшого размера.

Движущей силой процесса спекания нитрида алюминия является поверхностная энергия, а мелкозернистый порошок AlN может улучшить процесс спекания - это поверхностная энергия, а мелкозернистый порошок AlN может повысить активность спекания и увеличить движущую силу спекания для ускорения спекания. процесс. Исследования подтвердили, что при уменьшении исходного 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 мелким размером частиц и равномерным распределением, что может предотвратить вторичную рекристаллизацию, а крупные внутренние частицы склонны к аномальному росту зерен, что не способствует уплотняющему спеканию; если частицы распределены неравномерно, отдельные кристаллы склонны к аномальному росту во время процесса 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 по механизму объемной диффузии, а порошки нанометрового размера - по механизму зернограничной или поверхностной диффузии.

Однако на данный момент получение тонких и однородных порошков AlN очень затруднено, и большинство из них получают мокрым химическим методом в сочетании с методом термического восстановления углерода, который не только сложен в процессе спекания, но и энергоемок, и там все еще существуют некоторые ограничения для широкомасштабного продвижения и применения. Внутренние поставки мелкозернистого высокоэффективного порошка нитрида алюминия по-прежнему очень ограничены.

(2) Выбор низкотемпературных спекающих добавок для керамики из нитрида алюминия.

Добавляя в процесс спекания некоторые спекающие добавки с низкой температурой плавления, можно получить жидкую фазу, способствующую плотному спеканию. Кроме того, некоторые спекающие добавки могут не только генерировать жидкую фазу, но и вступать в реакцию с примесями кислорода в решетке, что может играть роль удаления примесей кислорода для очистки решетки, тем самым улучшая теплопроводность керамики AlN.

Принципиальная схема процесса действия спекающих добавок

Однако спекающие добавки не следует добавлять вслепую, а добавляемое количество должно быть соответствующим, иначе это может оказать вредное воздействие. Спекающие добавки вводят вторую фазу, и контроль распределения второй фазы оказывает большое влияние на теплопроводность.

После исследований при выборе низкотемпературных спекающих добавок для AlN-керамики следует учитывать следующие моменты:

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, тем самым улучшая теплопроводность;

3) Присадки не вступают в реакцию 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, не реагирующие 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 сложных добавок и разработка разумных добавок и соотношений могут дополнительно 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 распространенной, в этой области также построено несколько отечественных предприятий, однако, по сравнению с давно расположенными вблизи Красного моря зарубежными рынками, разработка керамической подложки из нитрида алюминия в Китае находится на стадии разработки. все еще находится в зачаточном состоянии, в подготовке и производстве высокоэффективного порошка и подложки с высокой теплопроводностью все еще есть определенный пробел. Глубокое понимание механизма действия материала, начиная с корня правильной медицины, чтобы вывести индустрию керамических подложек Китая на более высокий уровень.

Ссылка:

Подготовка керамической подложки AIN с высокой теплопроводностью и упаковки для мощных светодиодов, Ли Хунвэй, Китайский университет Цзилян.

Эта статья перепечатана с сайта 360powder.com.