Durante mucho tiempo, la mayoría de los materiales de sustrato de circuitos integrados híbridos de alta potencia han utilizado cerámicas de Al2O3 y BeO, pero la conductividad térmica del sustrato de Al2O3 es baja y el coeficiente de expansión térmica no coincide bien con el Si. Aunque el rendimiento integral del BeO es excelente, su alto costo de producción y sus deficiencias altamente tóxicas limitan su aplicación y promoción. Por lo tanto, desde el punto de vista del rendimiento, el costo y los factores de protección ambiental, ambos no pueden satisfacer las necesidades de los dispositivos y el desarrollo electrónicos modernos.
Las cerámicas de nitruro de aluminio tienen excelentes propiedades integrales, es una nueva generación de cerámicas avanzadas que ha sido ampliamente preocupada en los últimos años y tiene una amplia gama de perspectivas de aplicación en muchos aspectos, especialmente sus ventajas de alta conductividad térmica y baja constante dieléctrica. , baja pérdida dieléctrica, excelente aislamiento eléctrico, coeficiente de expansión térmica coincidente con el silicio y no toxicidad. Lo que lo convierte en un material ideal para paquetes y placas de circuitos integrados de alta densidad, alta potencia y alta velocidad.
La alta conductividad térmica es la característica más importante del sustrato de nitruro de aluminio. El mecanismo principal es: a través de red o vibración de red, es decir, a través de onda de red o transferencia de calor por onda térmica.
Las cerámicas AlN son materiales cerámicos aislantes; para materiales cerámicos aislantes, la energía térmica se transfiere mediante vibración atómica, que pertenece a la conducción de calor de fonones, los fonones juegan un papel importante en su proceso de conducción de calor. La conductividad térmica del nitruro de aluminio puede alcanzar teóricamente 320w/ (m·k), ¿qué causa esta brecha?
Hay impurezas y defectos en el nitruro de aluminio, lo que hace que la conductividad térmica del sustrato de nitruro de aluminio esté lejos del valor teórico. Los elementos de impureza en el polvo de nitruro de aluminio son principalmente oxígeno y carbono, y también hay una pequeña cantidad de impurezas de iones metálicos, que producen varias formas de defectos en la red, y la dispersión de estos defectos en el fonón reducirá la conductividad térmica.
Entonces, ¿cuáles son los factores que afectan el camino libre medio de los fonones?
1. En el proceso de transferencia de calor, los defectos, los límites de los granos, los huecos, los electrones y los propios fonones producirán dispersión de fonones, reduciendo así el camino libre medio de los fonones y afectando aún más la conductividad térmica.
Las impurezas de oxígeno y Al2O3 desempeñan un papel importante en la dispersión de defectos de fonones.
1. Debido a que el AlN es fácil de hidrólisis y oxidación, se forma una capa de Al2O3 en la superficie y Al2O3 se disuelve en la red de AlN para producir vacantes de aluminio. 2.AlN tiene una fuerte afinidad con el oxígeno, por lo que es fácil ingresar a la red de nitruro de aluminio, y el oxígeno en la red tiene una alta solubilidad por desplazamiento, lo que facilita la formación de defectos de oxígeno.
La relación entre los defectos en la red de AlN y la concentración de oxígeno:
Cuando [O] <0,75% O se distribuye uniformemente en la red de AlN, ocupa la posición N en AlN y va acompañado de una vacancia de Al.
Cuando cambia la posición del átomo de [O] ≥0,75% Al, la vacante de Al se elimina al mismo tiempo y se forma un defecto octaédrico.
En concentraciones más altas, se formarán defectos extendidos, como fallas en capas que contienen oxígeno, dominios de inversión, policuerpos, etc.
La presencia de impurezas de oxígeno afecta gravemente la conductividad térmica del AlN. La presencia de defectos de oxígeno aumenta la sección transversal del área de dispersión de los fonones y disminuye la conductividad térmica del AlN.
Por lo tanto, la presencia de impurezas de oxígeno afecta gravemente la conductividad térmica del AlN, que es el factor principal para la reducción de la conductividad térmica.
En resumen, las cerámicas de nitruro de aluminio con sus propiedades integrales únicas, especialmente su alta conductividad térmica, baja constante dieléctrica, baja pérdida dieléctrica, excelente aislamiento eléctrico y coeficiente de expansión térmica y características de no toxicidad que coinciden con el silicio, se convierten en el material ideal para la alta densidad moderna. , Placa de circuito integrado y embalaje de alta potencia y alta velocidad. Sin embargo, la conductividad térmica real de las cerámicas de nitruro de aluminio suele ser mucho menor que su valor teórico, lo que se debe principalmente a la presencia de impurezas y defectos en el material, especialmente impurezas de oxígeno, y al efecto de dispersión en el proceso de transferencia de calor de fonones.
Las impurezas de oxígeno no solo ingresan fácilmente a la red de nitruro de aluminio para formar defectos de oxígeno, sino que también causan cambios más complejos en la estructura cristalina en concentraciones más altas, como defectos octaédricos, fallas de capas que contienen oxígeno, dominios de inversión, etc., que reducen en gran medida la conductividad térmica. de nitruro de aluminio. Por lo tanto, optimizar el proceso de preparación de las cerámicas de nitruro de Al, reducir el contenido de impurezas de oxígeno y controlar la formación de defectos cristalinos son la clave para mejorar la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de Al.
De cara al futuro, con el progreso continuo de la ciencia de los materiales y la tecnología de preparación, el rendimiento de las cerámicas de nitruro de aluminio mejorará aún más y su aplicación en placas de circuitos integrados de alta potencia y otros campos de alta tecnología será más amplia. extenso y profundo. Al mismo tiempo, el estudio en profundidad sobre el mecanismo de conductividad térmica y los factores que influyen en las cerámicas de nitruro de aluminio también proporcionará una referencia importante para el desarrollo de otros materiales cerámicos avanzados.
