AlN представляет собой стабильное соединение с ковалентной связью с гексагональной структурой вюрцита и без других гомоморфов. Его кристаллическая структура состоит из тетраэдра AlN4, образующегося в результате преобразования атомов алюминия и соседних атомов азота. Пространственная группа — P63mc, принадлежащая гексагональной системе.
принципиальная схема кристаллической структуры AlN
Основные характеристики керамики AlN
(1) Высокая теплопроводность, в 5-10 раз выше, чем у глиноземной керамики;
(2) Коэффициент теплового расширения (4,3×10-6/℃) соответствует полупроводниковому кремниевому материалу (3,5-4,0×10-6/℃);
(3) Хорошие механические свойства;
(4) Отличные электрические характеристики, очень высокое сопротивление изоляции и низкие диэлектрические потери;
(5) Можно выполнить многослойную проводку для достижения высокой плотности и миниатюризации упаковки;
(6) Нетоксичный, способствует защите окружающей среды.
Различные факторы, влияющие на теплопроводность керамической подложки AlN
При 300 К теоретическая теплопроводность монокристаллического материала AlN достигает 319 Вт/(м·К), но в реальном производственном процессе из-за чистоты материала возникают внутренние дефекты (дислокации, пористость, примеси, искажение решетки). ), ориентация зерен, процесс спекания и другие факторы, также будет зависеть его теплопроводность, часто ниже теоретического значения.
Факторы, влияющие на теплопроводность керамики AlN
Влияние микроструктуры на теплопроводность
Механизм теплопроводности монокристалла AlN представляет собой фононную теплопередачу, поэтому на теплопроводность подложки AlN может в основном влиять рассеяние на границе кристалла, границе раздела, второй фазе, дефекте, электроне и самом фононе. Согласно теории колебаний твердого тела, связь между рассеянием фононов и теплопроводностью λ следующая:
λ=l/3cv, где c — теплоемкость, v — средняя скорость фононов, а l — длина свободного пробега фононов.
Из приведенной выше формулы видно, что теплопроводность λ нитрида алюминия пропорциональна длине свободного пробега фононов l, и чем больше l, тем выше теплопроводность. С точки зрения микроструктуры, взаимодействие между фононами и фононами, взаимодействие между фононами и примесями и дефектами на границах зерен вызовет рассеяние, которое повлияет на длину свободного пробега фононов и, таким образом, повлияет на его теплопроводность.
Микроструктура AlN оказывает большое влияние на его теплопроводность. Для получения подложки из нитрида алюминия с высокой теплопроводностью необходимо минимизировать дефектность кристаллов нитрида алюминия и содержание примесей.
Влияние содержания примесей кислорода на теплопроводность
Исследования показывают, что AlN имеет сильное сродство к кислороду и легко окисляется, в результате чего на его поверхности образуется пленка оксида алюминия. За счет растворения атомов кислорода в Al2O3 он заменяет положение атомов азота в AlN, в результате чего образуется вакансия алюминия и образуется кислородный дефект. Специфическая реакция следующая:
Al2O3→2Al+3O, где ON — положение, в котором атомы кислорода замещают азот в решетке нитрида алюминия, а VAl — вакансия алюминия.
Образовавшаяся алюминиевая вакансия рассеивает фононы, что приводит к уменьшению длины свободного пробега фононов, поэтому теплопроводность подложки AlN также уменьшается.
Сделан вывод, что типы дефектов в решетке AlN связаны с концентрацией атомов кислорода.
Когда концентрация кислорода ниже 0,75%, атомы кислорода равномерно распределяются в решетке AlN, замещая атомы азота в AlN, и образуются дырки алюминия.
При концентрации кислорода не менее 0,75 % положение атомов алюминия в решетке AlN изменится и алюминиевая вакансия исчезнет, что приведет к октаэдрическим дефектам.
Когда концентрация атомов кислорода выше, в решетке образуются много типов инверсионных доменов, дефекты кислородсодержащего слоя и другие дефекты растяжения. Взяв за отправную точку термодинамику, обнаружено, что на количество кислорода в решетке нитрида алюминия влияет свободная энергия Гиббса реакции алюмината |ΔG°|. Чем больше |ΔG°|, тем меньше кислорода в решетке нитрида алюминия и, следовательно, выше теплопроводность.
Видно, что на теплопроводность AlN серьезно влияют примеси кислорода, и наличие примесей кислорода является важной причиной снижения его теплопроводности.
Подходящие спекающие добавки обеспечивают улучшение теплопроводности.
Чтобы улучшить термическую скорость AlN, во время спекания обычно добавляют необходимую спекающую добавку, чтобы снизить температуру спекания и удалить кислород в решетке, тем самым достигая цели увеличения теплопроводности AlN.
В настоящее время все больше внимания уделяется добавлению многокомпонентных композиционных спекающих добавок. Экспериментами установлено, что при добавлении к AlN композиционных спекающих СПИД Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 и Y2O3-Dy2O3 можно получить относительно плотные образцы AlN с меньшим количеством примесей кислорода и второй фазы.
Подходящие спекающие добавки в композитной системе могут обеспечить низкую температуру спекания AlN, эффективно очистить границы зерен и получить AlN с высокой теплопроводностью.
