AlN es un compuesto de enlace covalente estable con estructura de wurtzita hexagonal y ningún otro homomorfo. Su estructura cristalina está compuesta por el tetraedro AlN4 producido por la conversión de átomos de aluminio y átomos de nitrógeno adyacentes. El grupo espacial es P63mc, perteneciente al sistema hexagonal.
diagrama esquemático de la estructura cristalina de AlN
Las principales características de la cerámica AlN.
(1) Alta conductividad térmica, 5 a 10 veces mayor que la de las cerámicas de alúmina;
(2) El coeficiente de expansión térmica (4,3×10-6/℃) coincide con el material de silicio semiconductor (3,5-4,0×10-6/℃);
(3) Buenas propiedades mecánicas;
(4) Excelente rendimiento eléctrico, con muy alta resistencia de aislamiento y baja pérdida dieléctrica;
(5) Se puede realizar cableado multicapa para lograr una alta densidad y miniaturización del embalaje;
(6) No tóxico, propicio para la protección del medio ambiente.
Varios factores que afectan la conductividad térmica del sustrato cerámico AlN
A 300 K, la conductividad térmica teórica del material monocristalino de AlN es de hasta 319 W/(m·K), pero en el proceso de producción real, debido a la pureza del material, pueden aparecer defectos internos (dislocación, porosidad, impurezas, distorsión de la red). ), la orientación del grano y el proceso de sinterización y otros factores, su conductividad térmica también se verá afectada, a menudo inferior al valor teórico.
Factores que afectan la conductividad térmica de las cerámicas AlN.
Efecto de la microestructura sobre la conductividad térmica.
El mecanismo de conducción de calor del AlN monocristalino es la transferencia de calor de fonones, por lo que la conductividad térmica del sustrato de AlN puede verse afectada principalmente por el control de dispersión del límite del cristal, la interfaz, la segunda fase, el defecto, el electrón y el propio fonón. Según la teoría de la vibración sólida de la red, la relación entre la dispersión de fonones y la conductividad térmica λ es la siguiente:
λ=l/3cv, donde c es la capacidad calorífica, v es la velocidad media de los fonones y l es el camino libre medio de los fonones.
De la fórmula anterior, se puede ver que la conductividad térmica λ del nitruro de aluminio es proporcional al camino libre medio l de los fonones, y cuanto mayor es l, mayor es la conductividad térmica. Desde la perspectiva de la microestructura, la interacción entre fonones y fonones, la interacción entre fonones e impurezas y los defectos en los límites de grano causarán dispersión, lo que afectará el camino libre medio de los fonones y, por lo tanto, afectará su conductividad térmica.
La microestructura del AlN tiene una gran influencia en su conductividad térmica. Para obtener un sustrato de nitruro de aluminio con alta conductividad térmica, es necesario minimizar los defectos de los cristales de nitruro de aluminio y el contenido de impurezas.
Efecto del contenido de impurezas de oxígeno sobre la conductividad térmica.
Los estudios muestran que el AlN tiene una fuerte afinidad con el oxígeno y es fácil de oxidar, lo que da como resultado una película de alúmina en su superficie. Debido a la disolución de los átomos de oxígeno en Al2O3, reemplaza la posición de los átomos de nitrógeno en AlN, lo que resulta en una vacante de aluminio y se forma un defecto de oxígeno. La reacción específica es la siguiente:
Al2O3→2Al+3O, donde ON es la posición donde los átomos de oxígeno reemplazan al nitrógeno en la red de nitruro de aluminio y VAl es la vacante del aluminio.
La vacante de aluminio resultante dispersa los fonones, lo que produce una disminución en el camino libre medio de los fonones, por lo que la conductividad térmica del sustrato de AlN también disminuye.
Se concluye que los tipos de defectos en la red de AlN están relacionados con la concentración de átomos de oxígeno.
Cuando la concentración de oxígeno es inferior al 0,75%, los átomos de oxígeno se dispersan uniformemente en la red de AlN, reemplazando a los átomos de nitrógeno en el AlN, y se forman los agujeros de aluminio.
Cuando la concentración de oxígeno no es inferior al 0,75%, la posición de los átomos de aluminio en la red de AlN cambiará y la vacante de aluminio desaparecerá, lo que dará lugar a defectos octaédricos.
Cuando la concentración de átomos de oxígeno es mayor, la red producirá muchos tipos, dominios de inversión, fallas en las capas que contienen oxígeno y otros defectos de extensión. Tomando la termodinámica como punto de partida, se encuentra que la cantidad de oxígeno en la red de nitruro de aluminio se ve afectada por la energía libre de Gibbs de la reacción del aluminato |ΔG°|. Cuanto mayor sea |ΔG°|, menos oxígeno habrá en la red de nitruro de aluminio y, por tanto, mayor será la conductividad térmica.
Se puede observar que la conductividad térmica del AlN se ve seriamente afectada por las impurezas de oxígeno, y la existencia de impurezas de oxígeno es una razón importante para la disminución de su conductividad térmica.
Los aditivos de sinterización adecuados garantizan una mejora de la conductividad térmica
Para mejorar la tasa térmica de AlN, generalmente se agrega el auxiliar de sinterización requerido durante la sinterización para reducir la temperatura de sinterización y eliminar el oxígeno en la red, logrando así el propósito de aumentar la conductividad térmica de AlN.
Actualmente se presta más atención a la adición de aditivos de sinterización de compuestos multicomponentes. Los experimentos han descubierto que al agregar ayudas de sinterización compuestas Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 y Y2O3-Dy2O3 al AlN, se pueden obtener muestras de AlN relativamente densas con menos impurezas de oxígeno y segunda fase.
Los aditivos de sinterización adecuados del sistema compuesto pueden lograr una temperatura de sinterización baja de AlN y purificar eficazmente el límite de grano y obtener AlN con alta conductividad térmica.
