AlN é um composto de ligação covalente estável com estrutura wurtzita hexagonal e nenhum outro homomorfo. Sua estrutura cristalina é composta pelo tetraedro AlN4 produzido pela conversão de átomos de alumínio e átomos de nitrogênio adjacentes. O grupo espacial é o P63mc, pertencente ao sistema hexagonal.
diagrama esquemático da estrutura cristalina do AlN
As principais características da cerâmica AlN
(1) Alta condutividade térmica, 5-10 vezes maior que a da cerâmica de alumina;
(2) O coeficiente de expansão térmica (4,3×10-6/℃) corresponde ao material de silício semicondutor (3,5-4,0×10-6/℃);
(3) Boas propriedades mecânicas;
(4) Excelente desempenho elétrico, com altíssima resistência de isolamento e baixa perda dielétrica;
(5) A fiação multicamadas pode ser realizada para obter alta densidade e miniaturização da embalagem;
(6) Não tóxico, propício à proteção ambiental.
Vários fatores que afetam a condutividade térmica do substrato cerâmico AlN
A 300K, a condutividade térmica teórica do material de cristal único AlN é tão alta quanto 319W/(m·K), mas no processo de produção real, devido à pureza do material, defeitos internos (luxação, porosidade, impurezas, distorção da rede ), orientação do grão e processo de sinterização e outros fatores, sua condutividade térmica também será afetada, muitas vezes inferior ao valor teórico.
fatores que afetam a condutividade térmica da cerâmica AlN
Efeito da microestrutura na condutividade térmica
O mecanismo de condução de calor do AlN de cristal único é a transferência de calor do fônon, de modo que a condutividade térmica do substrato de AlN pode ser afetada principalmente pelo controle de espalhamento do limite do cristal, interface, segunda fase, defeito, elétron e do próprio fônon. De acordo com a teoria da vibração sólida em rede, a relação entre o espalhamento de fônons e a condutividade térmica λ é a seguinte:
λ=l/3cv, onde c é a capacidade térmica, v é a velocidade média dos fônons e l é o caminho livre médio dos fônons.
A partir da fórmula acima, pode-se observar que a condutividade térmica λ do nitreto de alumínio é proporcional ao caminho livre médio l dos fônons, e quanto maior for l, maior será a condutividade térmica. Do ponto de vista da microestrutura, a interação entre fônons e fônons, a interação entre fônons e impurezas e defeitos nos limites dos grãos causarão espalhamento, o que afetará o caminho livre médio dos fônons e, portanto, afetará sua condutividade térmica.
A microestrutura do AlN tem grande influência na sua condutividade térmica. Para obter substrato de nitreto de alumínio com alta condutividade térmica, é necessário minimizar os defeitos dos cristais de nitreto de alumínio e o teor de impurezas.
Efeito do teor de impurezas de oxigênio na condutividade térmica
Estudos mostram que o AlN tem forte afinidade com o oxigênio e é fácil de oxidar, resultando em um filme de alumina em sua superfície. Devido à dissolução dos átomos de oxigênio no Al2O3, ele substitui a posição dos átomos de nitrogênio no AlN, resultando em uma vacância de alumínio e formando um defeito de oxigênio. A reação específica é a seguinte:
Al2O3→2Al+3O, onde ON é a posição onde os átomos de oxigênio substituem o nitrogênio na rede de nitreto de alumínio, e VAl é a vacância do alumínio.
A vacância de alumínio resultante dispersa os fônons, resultando em uma diminuição no caminho livre médio dos fônons, de modo que a condutividade térmica do substrato AlN também diminui.
Conclui-se que os tipos de defeitos na rede de AlN estão relacionados com a concentração de átomos de oxigênio.
Quando a concentração de oxigênio é inferior a 0,75%, os átomos de oxigênio são dispersos uniformemente na rede de AlN, substituindo os átomos de nitrogênio no AlN, e os buracos de alumínio são formados.
Quando a concentração de oxigênio não for inferior a 0,75%, a posição dos átomos de alumínio na rede de AlN mudará e a vacância de alumínio desaparecerá, resultando em defeitos octaédricos.
Quando a concentração de átomos de oxigênio é maior, a rede produzirá muitos tipos, domínios de inversão, falhas na camada contendo oxigênio e outros defeitos de extensão. Tomando a termodinâmica como ponto de partida, verifica-se que a quantidade de oxigênio na rede de nitreto de alumínio é afetada pela energia livre de Gibbs da reação do aluminato |ΔG°|. Quanto maior for |ΔG°|, menos oxigênio na rede de nitreto de alumínio e, portanto, maior será a condutividade térmica.
Pode-se observar que a condutividade térmica do AlN é seriamente afetada pelas impurezas de oxigênio, e a existência de impurezas de oxigênio é uma razão importante para a diminuição de sua condutividade térmica.
Aditivos de sinterização adequados garantem a melhoria da condutividade térmica
A fim de melhorar a taxa térmica do AlN, o auxiliar de sinterização necessário é geralmente adicionado durante a sinterização para reduzir a temperatura de sinterização e remover o oxigênio da rede, atingindo assim o objetivo de aumentar a condutividade térmica do AlN.
Atualmente, mais atenção é dada à adição de aditivos de sinterização composta multicomponentes. Experimentos descobriram que ao adicionar AIDS de sinterização composta Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 e Y2O3-Dy2O3 ao AlN, amostras de AlN relativamente densas com menos impurezas de oxigênio e segunda fase podem ser obtidas.
Os aditivos de sinterização adequados do sistema compósito podem atingir baixa temperatura de sinterização de AlN e purificar efetivamente o limite do grão e obter AlN com alta condutividade térmica.
