Por muito tempo, a maioria dos materiais de substrato de circuitos integrados híbridos de alta potência tem usado cerâmicas de Al2O3 e BeO, mas a condutividade térmica do substrato de Al2O3 é baixa e o coeficiente de expansão térmica não combina bem com o Si. Embora o desempenho abrangente do BeO seja excelente, seu alto custo de produção e deficiências altamente tóxicas limitam sua aplicação e promoção. Portanto, a partir dos fatores de desempenho, custo e proteção ambiental, os dois não podem atender às necessidades de desenvolvimento e dispositivos eletrônicos modernos de energia.
A cerâmica de nitreto de alumínio tem excelentes propriedades abrangentes, é uma nova geração de cerâmica avançada que tem sido amplamente preocupada nos últimos anos e tem uma ampla gama de perspectivas de aplicação em muitos aspectos, especialmente suas vantagens de alta condutividade térmica, baixa constante dielétrica , baixa perda dielétrica, excelente isolamento elétrico, coeficiente de expansão térmica compatível com silício e não toxicidade. Tornando-o um material ideal para placas e pacotes de circuitos integrados de alta densidade, alta potência e alta velocidade.
A alta condutividade térmica é a característica mais significativa do substrato de nitreto de alumínio. O mecanismo principal é: por meio de treliça ou vibração de treliça, ou seja, por meio de onda de treliça ou transferência de calor por onda térmica.
As cerâmicas AlN são materiais cerâmicos isolantes, para isolar materiais cerâmicos, a energia térmica é transferida por vibração atômica, que pertence à condução de calor dos fônons, os fônons desempenham um papel importante em seu processo de condução de calor. A condutividade térmica do nitreto de alumínio pode teoricamente chegar a 320w/ (m·k), o que causa essa lacuna?
Existem impurezas e defeitos no nitreto de alumínio, resultando na condutividade térmica do substrato de nitreto de alumínio que está longe do valor teórico. Os elementos de impureza no pó de nitreto de alumínio são principalmente oxigênio e carbono, e há também uma pequena quantidade de impurezas de íons metálicos, que produzem várias formas de defeitos na rede, e a dispersão desses defeitos no fônon reduzirá a condutividade térmica.
Então, quais são os fatores que afetam o caminho livre médio dos fônons?
1. No processo de transferência de calor, os defeitos, limites de grão, buracos, elétrons e fônons produzirão espalhamento de fônons, reduzindo assim o caminho livre médio dos fônons e afetando ainda mais a condutividade térmica.
As impurezas de oxigênio e Al2O3 desempenham um papel importante na dispersão de defeitos de fônons.
1. Como o AlN é fácil de hidrólise e oxidação, uma camada de Al2O3 é formada na superfície e o Al2O3 é dissolvido na rede de AlN para produzir lacunas de alumínio. 2.AlN tem uma forte afinidade com o oxigênio, que é fácil de entrar na rede de nitreto de alumínio, e o oxigênio na rede tem uma alta solubilidade de deslocamento, o que é fácil de formar defeitos de oxigênio.
A relação entre defeitos na rede AlN e concentração de oxigênio:
Quando [O] <0,75% O é uniformemente distribuído na rede AlN, ele ocupa a posição N em AlN e é acompanhado por vacância Al.
Quando [O] ≥0,75% da posição do átomo de Al muda, a vacância de Al é eliminada ao mesmo tempo e um defeito octaédrico é formado.
Em concentrações mais altas, serão formados defeitos estendidos, como falhas em camadas contendo oxigênio, domínios de inversão, policorpos, etc.
A presença de impurezas de oxigênio afeta seriamente a condutividade térmica do AlN. A presença de defeitos de oxigênio aumenta a seção transversal da área de espalhamento dos fônons e diminui a condutividade térmica do AlN.
Portanto, a presença de impurezas de oxigênio afeta seriamente a condutividade térmica do AlN, que é o principal fator para a redução da condutividade térmica.
Em resumo, a cerâmica de nitreto de alumínio com suas propriedades exclusivas e abrangentes, especialmente sua alta condutividade térmica, baixa constante dielétrica, baixa perda dielétrica, excelente isolamento elétrico e coeficiente de expansão térmica correspondente ao silício e características de não toxicidade, tornam-se o material ideal para alta densidade moderna , placa de circuito integrado e embalagem de alta potência e alta velocidade. No entanto, a condutividade térmica real da cerâmica de nitreto de alumínio é muitas vezes muito inferior ao seu valor teórico, o que se deve principalmente à presença de impurezas e defeitos no material, especialmente impurezas de oxigênio, o efeito de dispersão no processo de transferência de calor do fônon.
As impurezas de oxigênio não apenas entram facilmente na rede de nitreto de alumínio para formar defeitos de oxigênio, mas também causam alterações mais complexas na estrutura cristalina em concentrações mais altas, como defeitos octaédricos, falhas na camada contendo oxigênio, domínios de inversão, etc., que reduzem bastante a condutividade térmica. de nitreto de alumínio. Portanto, otimizar o processo de preparação da cerâmica de nitreto de Al, reduzir o teor de impurezas de oxigênio e controlar a formação de defeitos cristalinos são a chave para melhorar a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de Al.
Olhando para o futuro, com o progresso contínuo da ciência dos materiais e da tecnologia de preparação, o desempenho da cerâmica de nitreto de alumínio será melhorado ainda mais, e sua aplicação em placas de circuito integrado de alta potência e outros campos de alta tecnologia será mais extenso e profundo. Ao mesmo tempo, o estudo aprofundado sobre o mecanismo de condutividade térmica e os fatores que influenciam a cerâmica de nitreto de alumínio também fornecerá uma referência importante para o desenvolvimento de outros materiais cerâmicos avançados.
