Per decenni, i circuiti integrati ibridi ad alta potenza hanno utilizzato prevalentemente la ceramica di Al₂o₃ (allumina) e beo (beryllia) come materiali del substrato. Tuttavia, Al₂o₃ soffre di bassa conducibilità termica (24-30 W/(M · K)) e un coefficiente di espansione termica (CTE) non corrispondente con silicio, mentre BEO, nonostante le sue prestazioni complete superiori, affrontano limiti a causa degli elevati costi di produzione e tossicità. Di conseguenza, nessuno dei due materiali soddisfa le esigenze in evoluzione dei moderni dispositivi elettronici ad alta potenza in termini di prestazioni, costi e sostenibilità ambientale.
La ceramica di nitruro di alluminio (ALN), con le loro eccezionali proprietà, sono emerse come materiale ceramico avanzato di prossima generazione. La loro alta conducibilità termica, la bassa costante dielettrica, la bassa perdita dielettrica, l'eccellente isolamento elettrico, la CTE abbinata al silicio e la non tossicità li rendono ideali per substrati e imballaggi integrati ad alta densità, ad alta potenza e ad alta velocità. Tra questi attributi, l'alta conducibilità termica si distingue come la caratteristica più critica di ALN. Teoricamente, la conduttività termica di ALN può raggiungere 320 W/(M · K), governato dal trasferimento di calore mediato da fononi, un processo guidato dalle vibrazioni reticolari (fononi) che si propagano attraverso la struttura cristallina.
Le immagini della struttura cristallina del nitruro di alluminio (ALN)
Sfide nel raggiungimento della conduttività termica teorica
Come ceramica isolante, il trasferimento di calore in ALN si verifica tramite vibrazioni reticolari atomiche (conduzione dei fononi), dove i fononi agiscono come portatori primari di energia termica. Tuttavia, la conduttività termica pratica dei prodotti ALN non è molto all'altezza del valore teorico a causa di impurità e difetti cristallini, che interrompono la propagazione fononica.
1. Impurità dell'ossigeno: il fattore dominante
La polvere di Aln contiene in genere elementi di impurità come ioni di ossigeno, carbonio e tracce di metalli. L'ossigeno, in particolare, svolge un ruolo decisivo nella conducibilità termica degradante. I meccanismi chiave includono:
Ossidazione superficiale: ALN è soggetto all'idrolisi e all'ossidazione, formando uno strato Al₂o₃ sulla sua superficie. Questo Al₂o₃ si dissolve nel reticolo ALN, generando posti vacanti in alluminio (V <sub> al </sub>).
L'incorporazione di ossigeno nel reticolo: la forte affinità dell'ossigeno per ALN gli consente di sostituire prontamente i siti di azoto (N) all'interno del reticolo. A concentrazioni di ossigeno [O] <0,75%, gli atomi di ossigeno occupano siti uniformemente, accompagnati da posti vacanti in alluminio. A [O] ≥ 0,75%, l'ossigeno innesca le distorsioni strutturali, alterando l'occupazione del sito di alluminio e formando difetti ottaedrici. Concentrazioni di ossigeno più elevate inducono difetti estesi, inclusi guasti di impilamento ricchi di ossigeno, domini di inversione e trasformazioni politypiche.
Questi difetti correlati all'ossigeno aumentano drasticamente le sezioni di scattering del fonone, accorciando il percorso libero medio del fonone (MFP), un parametro critico che regola la conduttività termica. La conduttività termica (κ) di un materiale è espressa come:
La relazione tra conduttività termica del nitruro di alluminio (ALN) e temperatura 2. Altri meccanismi di difetto
Confini di grano: Aln policristallino contiene confini del grano che disperdono i fononi, riducendo ulteriormente MFP.
Vuoti e porosità: i pori residui dalla sinterizzazione agiscono come centri di dispersione fonone.
Fasi secondarie: impurità come carburi o residui metallici formano fasi secondarie, interrompendo la continuità reticolare.
Strategie per la mitigazione
Per avvicinarsi alla conduttività termica teorica di ALN, le tecniche di sintesi avanzate si concentrano su:
Materie prime ad alta purezza: minimizzazione di ossigeno (<100 ppm) e impurità metalliche durante la sintesi delle polveri.
Sintering controllato: usando additivi come Y₂o₃ per sopprimere l'incorporazione dell'ossigeno promuovendo la densificazione.
Ingegneria del difetto: dimensione del grano e orientamento del grano per ridurre al minimo lo scattering dei confini del grano.
Mentre la conduttività termica teorica di ALN di 320 W/M · K) rimane sfuggente nei prodotti commerciali, i progressi in corso nella purificazione dei materiali, nel controllo dei difetti e nell'ottimizzazione dei processi stanno restringendo questa lacuna. Il superamento dei difetti correlati all'ossigeno rimane la pietra angolare per lo sblocco del pieno potenziale di ALN nell'elettronica ad alta potenza, dove la gestione termica è fondamentale.
