В течение длительного времени в большинстве материалов подложек мощных гибридных интегральных схем использовалась керамика Al2O3 и BeO, но теплопроводность подложки Al2O3 низкая, а коэффициент теплового расширения плохо сочетается с Si. Хотя комплексные характеристики BeO превосходны, его высокая себестоимость и высокотоксичные недостатки ограничивают его применение и продвижение. Таким образом, из-за факторов производительности, стоимости и защиты окружающей среды эти два фактора не могут удовлетворить потребности современных электронных силовых устройств и разработок.
Керамика из нитрида алюминия обладает превосходными комплексными свойствами, представляет собой новое поколение современной керамики, которая широко используется в последние годы и имеет широкий спектр перспектив применения во многих аспектах, особенно ее преимущества в виде высокой теплопроводности и низкой диэлектрической проницаемости. , низкие диэлектрические потери, отличная электроизоляция, коэффициент теплового расширения, соответствующий кремнию, и нетоксичность. Это делает его идеальным материалом для изготовления интегральных плат и корпусов высокой плотности, мощности и быстродействия.
Высокая теплопроводность является наиболее важной характеристикой подложки из нитрида алюминия. Основной механизм: через решетку или вибрацию решетки, то есть за счет решетчатой или тепловой волновой теплопередачи.
Керамика AlN представляет собой изоляционные керамические материалы, для изолирующих керамических материалов тепловая энергия передается за счет атомной вибрации, которая относится к фононной теплопроводности, фононы играют важную роль в процессе ее теплопроводности. Теплопроводность нитрида алюминия теоретически может достигать 320 Вт/(м·К), что является причиной такого разрыва?
В нитриде алюминия имеются примеси и дефекты, в результате чего теплопроводность подложки из нитрида алюминия далека от теоретического значения. Элементами-примесями в порошке нитрида алюминия являются в основном кислород и углерод, а также небольшое количество примесей ионов металлов, которые создают различные формы дефектов в решетке, и рассеяние этих дефектов на фононе снижает теплопроводность.
Так какие же факторы влияют на длину свободного пробега фононов?
1. В процессе теплопередачи дефекты, границы зерен, дырки, электроны и фононы сами по себе вызывают рассеяние фононов, тем самым уменьшая длину свободного пробега фононов и дополнительно влияя на теплопроводность.
Примесный кислород и Al2O3 играют основную роль в рассеянии фононов на дефектах.
1. Поскольку AlN легко гидролизуется и окисляется, на поверхности образуется слой Al2O3, а Al2O3 растворяется в решетке AlN, образуя вакансии алюминия. 2. AlN имеет сильное сродство с кислородом, что позволяет легко проникать в решетку нитрида алюминия, а кислород в решетке имеет высокую растворимость смещения, что позволяет легко образовывать кислородные дефекты.
Зависимость дефектов решетки AlN от концентрации кислорода:
Когда [O] <0,75% O равномерно распределен в решетке AlN, он занимает позицию N в AlN и сопровождается вакансией Al.
Когда [O] ≥0,75% изменяется положение атома Al, вакансия Al одновременно устраняется и образуется октаэдрический дефект.
При более высоких концентрациях будут образовываться протяженные дефекты, такие как дефекты кислородсодержащего слоя, инверсионные домены, политела и т. д.
Наличие примесей кислорода серьезно влияет на теплопроводность AlN. Наличие кислородных дефектов увеличивает сечение площади рассеяния фононов и снижает теплопроводность AlN.
Поэтому наличие примесей кислорода серьезно влияет на теплопроводность AlN, что является основным фактором снижения теплопроводности.
Таким образом, керамика из нитрида алюминия с ее уникальными комплексными свойствами, особенно с высокой теплопроводностью, низкой диэлектрической проницаемостью, низкими диэлектрическими потерями, отличной электроизоляцией и коэффициентом теплового расширения, соответствующим кремнию, и характеристиками нетоксичности, становится идеальным материалом для современных изделий высокой плотности. , мощная и высокоскоростная интегральная плата и упаковка. Однако реальная теплопроводность керамики из нитрида алюминия зачастую значительно ниже ее теоретического значения, что связано, главным образом, с наличием в материале примесей и дефектов, особенно примесей кислорода, рассеянным влиянием на процесс фононной теплопередачи.
Примеси кислорода не только легко проникают в решетку нитрида алюминия, образуя кислородные дефекты, но и вызывают более сложные изменения кристаллической структуры при более высоких концентрациях, такие как октаэдрические дефекты, дефекты кислородсодержащего слоя, инверсионные домены и т. д., что значительно снижает теплопроводность. из нитрида алюминия. Поэтому оптимизация процесса приготовления керамики из нитрида алюминия, снижение содержания примесей кислорода и контроль образования кристаллических дефектов являются ключом к улучшению теплопроводности керамики из нитрида алюминия.
Заглядывая в будущее, благодаря постоянному прогрессу в области материаловедения и технологии подготовки, характеристики керамики из нитрида алюминия будут улучшаться, а ее применение в мощных интегральных платах и других высокотехнологичных областях будет более широчайшим. обширный и глубокий. В то же время углубленное исследование механизма теплопроводности и факторов, влияющих на керамику из нитрида алюминия, также предоставит важные ссылки для разработки других передовых керамических материалов.
