（Conduttività termica di diversi materiali del substrato in ceramica）
Vantaggi unici della ceramica di nitruro di alluminio
Rispetto alla ceramica di allumina ordinaria (AL2O3), le ceramiche di nitruro di alluminio (ALN) hanno i seguenti vantaggi unici:
Il più grande vantaggio del nitruro di alluminio è la sua conduttività termica estremamente elevata.
Il suo valore teorico può raggiungere 320 W/M · K), che è da 5 a 10 volte quello dell'allumina. Ciò significa che nelle stesse condizioni di lavoro, la ceramica di nitruro di alluminio può resistere a una maggiore densità di flusso di calore. Se utilizzati come substrati o involucri di imballaggio, la ceramica di nitruro di alluminio è particolarmente utile per la dissipazione del calore di chip o moduli ad alta potenza. Se trasformati in elementi di riscaldamento in metallo-ceramico di nitruro di alluminio (riscaldatore metallico-ceramico), possono ottenere un rapido riscaldamento. Se trasformati in manichini elettrostatici a nitruro di alluminio (Chuck elettrocondetico), possono rapidamente preriscaldare o riscaldare i wafer adsorbiti.
Ha un basso coefficiente di espansione termica, solo 4,3 ppm/k, che è vicino a quello dei chip di silicio (3,5 - 4,0 ppm/k). Ciò indica che esiste una corrispondenza naturale di espansione termica tra chip di silicio e ceramica di nitruro di alluminio, che migliora invisibilmente l'affidabilità degli imballaggi.
Inoltre, le proprietà meccaniche, le proprietà elettriche e la resistenza alla corrosione della ceramica di nitruro di alluminio sono paragonabili a quelle della ceramica di allumina.
La ceramica di nitruro di alluminio può combinare conducibilità termica elevata, coefficiente a bassa espansione, elevata resistenza e resistenza alla corrosione chimica, rendendoli un materiale ideale di dissipazione del calore, in particolare per le applicazioni in circuiti integrati su larga scala e dispositivi elettronici ad alte prestazioni.
Fattori che influenzano la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio
Poiché la ceramica di nitruro di alluminio è solidi isolanti, l'influenza del trasferimento di calore di elettroni e dei fotoni è estremamente piccola. Il principale meccanismo di conduzione del calore è il trasferimento di calore con fononi (vibrazione reticolare). Il legame AL-N nella ceramica di nitruro di alluminio ha un'energia di legame relativamente elevata e una breve lunghezza del legame, quindi la velocità di propagazione del fonone è veloce, che è la ragione della sua alta conducibilità termica.
Sebbene teoricamente la conduttività termica del nitruro di alluminio possa raggiungere 320 W/(M · K), attualmente solo poche aziende possono rendere la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio raggiungere 230 W/(M · K). Di solito, la conduttività termica dei prodotti reali è solo 150-180 W/(m · k). I fattori che influenzano la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio sono i seguenti:
Dall'esperienza pratica, i principali fattori che influenzano la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio comprendono la densità reticolare, il contenuto di ossigeno, la purezza delle polveri di materie prime e la microstruttura.
Densità
I campioni a bassa densità hanno un gran numero di pori, che influenzeranno la dispersione dei fononi e riducono il loro percorso libero medio, riducendo così la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio. Nel frattempo, le proprietà meccaniche dei campioni a bassa densità potrebbero anche non soddisfare i requisiti delle applicazioni pertinenti.
Contenuto di ossigeno
Poiché il nitruro di alluminio ha una forte affinità con l'ossigeno, quando il nitruro di alluminio entra in contatto con aria o acqua, la sua superficie è facilmente ossidata e forma un film di ossido di alluminio, con conseguenti posti vacanti in alluminio e difetti di ossigeno. I posti vacanti in alluminio e i difetti di ossigeno sono facili da diffondere nel reticolo ALN durante il processo di sinterizzazione. Dopo i posti vacanti in alluminio e i difetti dell'ossigeno diffuso in tutta la rete di cristalli di nitruro di alluminio, il percorso libero medio dei fononi viene ridotto, portando a una riduzione della conducibilità termica.
Difetti reticolari
La ricerca ha scoperto che i tipi di difetti nel reticolo AIN (nitruro di nitruro di alluminio) sono correlati alla concentrazione di atomi di ossigeno. Quando la concentrazione di ossigeno è inferiore allo 0,75%, gli atomi di ossigeno sono distribuiti uniformemente nel reticolo AIN (nitruro di alluminio), sostituendo le posizioni degli atomi di azoto in AIN e i posti vacanti in alluminio li accompagnano. Quando la concentrazione di ossigeno non è inferiore allo 0,75%, cambieranno le posizioni degli atomi di alluminio nel reticolo di ceramica Ain (nitruro di nitruro di alluminio), i posti vacanti in alluminio scompaiono e vengono generati difetti ottaedrici. Quando la concentrazione di atomo di ossigeno è ancora più alta, nel suo reticolo vengono prodotti difetti estesi come politipi, domini di inversione e guasti di impilamento contenenti ossigeno.
Misure per migliorare la conduttività termica della ceramica di nitruro di alluminio
In primo luogo, aumentare la densità. Scegli polveri di micro-nano ad alta attività a grana fine, ad alta caratteristica, droga con gli aiuti di sinterizzazione e usa una sinterizzazione fisica ad alta energia e altri metodi per migliorare la densità di sinterizzazione della ceramica.
In secondo luogo, ridurre il contenuto di ossigeno e difetti interni. Seleziona polveri per materie prime ad alta purezza a basso contenuto di ossigeno. Lo stoccaggio delle polveri per materie prime e la formazione di prodotti semifiniti dovrebbero evitare l'influenza del vapore acqueo. Durante il processo di sinterizzazione dell'atmosfera, il contenuto di ossigeno dovrebbe essere strettamente controllato.
