Fattori che influenzano la conduttività termica dei substrati ceramici in nitruro di alluminio

Essendo un nuovo tipo di materiale per l'imballaggio di dispositivi elettronici, la ceramica AlN ha elevata conduttività termica e resistenza, basso coefficiente di espansione termica e perdita dielettrica, resistenza alle alte temperature e alla corrosione chimica, buon isolamento e protezione ambientale non tossica. Si tratta quindi di uno dei materiali ceramici più promettenti a livello nazionale ed internazionale.

Substrato ceramico in nitruro di alluminio, un materiale ideale per il confezionamento di chip ad alta potenza, ad alto contenuto di piombo e di grandi dimensioni, la conduttività termica è stata l'attenzione del settore. L'attuale conduttività termica del substrato AlN commerciale rispetto alla sua conduttività termica teorica rappresenta ancora un grande divario. Pertanto, il miglioramento della maggiore conduttività termica del substrato ceramico AlN riducendo al tempo stesso la temperatura di sinterizzazione della ceramica AlN è di grande importanza per il rapido sviluppo di dispositivi elettronici.

Per preparare substrati di nitruro di alluminio con una maggiore conduttività termica, è necessario indagare quali fattori influenzano la conduttività termica.

Meccanismo di conduzione del calore

La conduttività termica è una delle proprietà più importanti dei materiali conduttivi termici per misurare la capacità conduttiva del riscaldamento. È un composto covalente e non ha elettroni liberamente mobili al suo interno, quindi il trasferimento di calore avviene sotto forma di vibrazioni reticolari, che è chiamato trasferimento di calore fononico. La parte ad alta temperatura del cristallo ha un'energia elevata mentre la parte a bassa temperatura ne ha una bassa. L'energia viene trasferita dall'alto al basso attraverso l'interazione tra i fono, e la migrazione dell'energia porta alla conduzione del calore.

Trasferimento di calore fononico

Gli atomi all'interno del reticolo sono visti come piccole sfere, collegate tra loro da molle (legami covalenti), in modo che la vibrazione di ciascun atomo debba trascinare gli atomi circostanti e farlo passare attraverso il cristallo sotto forma di onde elastiche. Questa vibrazione reticolare genera quanti di energia, chiamati fononi, che interagiscono per trasmettere le vibrazioni, consentendo così la migrazione di energia e il trasferimento di calore.

La relazione per la conduttività termica K nel trasferimento di calore fononico è data da:

Quanto sopra c è la capacità termica del corpo ceramico stesso, v è la velocità media del movimento del fonone e λ è il range libero medio del fonone. La capacità termica del materiale stesso (c) è quasi costante e l'elevata capacità termica del nitruro di alluminio è uno dei motivi dell'elevata conduttività termica del nitruro di alluminio. La velocità del fonone (v) è correlata solo alla densità dei cristalli e alle proprietà meccaniche elastiche, che possono anche essere considerate come una costante, quindi la distanza di propagazione del fonone è la chiave che influenza le prestazioni di conducibilità termica dell'alluminio macroscopico finale ceramica al nitruro.

Pertanto, è chiaro dal meccanismo di conduzione del calore dei fononi all'interno del nitruro di alluminio che per un'elevata conduttività termica è necessario far propagare i fononi più lontano per ridurre la resistenza alla propagazione, che generalmente deriva da varie scattering durante la diffusione dei fononi. Le ceramiche sinterizzate presentano solitamente vari difetti cristallini, impurità, porosità e seconde fasi introdotte al loro interno, che agiscono per disperdere i fononi e quindi influenzare la conduttività termica finale.

Fattori chiave che influenzano la conduttività termica

È stato confermato attraverso continue ricerche che tra i molti fattori che influenzano la conduttività termica delle ceramiche AlN, la microstruttura e il contenuto di impurità di ossigeno delle ceramiche AlN sono particolarmente importanti.

(1) Influenza della microstruttura delle ceramiche AlN sulla conduttività termica.

Nelle applicazioni pratiche, all'AlN vengono spesso aggiunti vari ausiliari di sinterizzazione per abbassare la temperatura di sinterizzazione. E allo stesso tempo, una seconda fase viene introdotta nel reticolo AlN, con conseguente diminuzione della conduttività termica dovuta alla dispersione dei fononi durante il processo di conduzione del calore.

La seconda fase introdotta dall'aggiunta di coadiuvanti di sinterizzazione può avvenire in diversi modi: in termini di distribuzione può essere suddivisa in isole e distribuzione continua ai bordi grano; in termini di posizione della distribuzione, può essere suddivisa in distribuzione sui trianli del bordo del grano e altre posizioni sui bordi del grano. I grani distribuiti in modo continuo possono fornire un accesso più diretto ai fononi e il contatto diretto con i grani di AlN ha una conduttività termica maggiore rispetto ai grani di AlN isolati, quindi è meglio che la seconda fase sia distribuita in modo continuo; Le ceramiche AlN distribuite nel triangolo del confine del grano producono meno dispersione di interferenze durante la conduzione del calore e possono mantenere il contatto tra i grani AlN, quindi è meglio che la seconda fase sia distribuita continuamente; Le ceramiche AlN distribuite sul triangolo del confine del grano producono meno interferenze durante la conduzione del calore e possono mantenere il contatto tra i grani dell'AlN, quindi è meglio che la seconda fase sia distribuita sul triangolo del confine del grano.

Diagramma schematico della distribuzione della seconda fase all'interno del cristallo Aln

Inoltre, la distribuzione non uniforme di bordi di grano simili porta alla presenza di un gran numero di pori, che ostacolano la dispersione dei fononi e portano ad una diminuzione della conduttività termica di AlN. Anche il contenuto del bordo grano, la dimensione del bordo grano e la porosità hanno un effetto sulle prestazioni di conduttività termica.

Pertanto, durante la sinterizzazione delle ceramiche AlN, la conduttività termica delle ceramiche AlN può essere migliorata migliorando il processo di sinterizzazione con mezzi quali l'aumento della temperatura di sinterizzazione, l'estensione del tempo di mantenimento e il trattamento termico per migliorare i difetti interni del cristallo e per rendere la seconda fase distribuita in modo continuo e posizionata il più possibile ai bordi trigonali dei grani.

(2) L'effetto delle impurità dell'ossigeno sulla conduttività termica.

L'AlN è altamente suscettibile all'idrolisi e all'ossidazione, con conseguente ossidazione della superficie del nitruro di alluminio, che porta alla formazione di difetti di posti vacanti di alluminio nella soluzione solida di ossigeno nel reticolo dell'AlN. E porta ad un aumento della diffusione dei fononi, una diminuzione del range libero medio e una conseguente diminuzione della conduttività termica.

Contenuto di ossigeno e conduttività termica nel reticolo AlN

Pertanto, per migliorare la conduttività termica, l'aggiunta di un idoneo coadiuvante di sinterizzazione per rimuovere le impurità di ossigeno nel reticolo rappresenta un approccio efficace.

Elementi di controllo chiave per la sinterizzazione

AlN è un composto covalente con un piccolo coefficiente di autodiffusione degli atomi e una forte energia di legame, che rende difficile la sinterizzazione densa. Il suo punto di fusione arriva fino a 3000 ℃ o più e la temperatura di sinterizzazione è addirittura superiore a 1900 ℃. Una temperatura di sinterizzazione così elevata limita seriamente l'applicazione pratica dell'AlN nell'industria.

Inoltre, le impurità di ossigeno nello strato superficiale di AlN iniziano a diffondersi all'interno del suo reticolo solo a temperature elevate, quindi la sinterizzazione a bassa temperatura ha un'altra funzione, vale a dire ritardare la diffusione delle impurità di ossigeno nello strato superficiale verso l'esterno. all'interno del reticolo AlN durante la sinterizzazione e per ridurre le impurità di ossigeno nel reticolo, quindi la ricerca della tecnologia di sinterizzazione a bassa temperatura è fondamentale per la preparazione di materiali ceramici AlN con elevata conduttività termica.

Attualmente, esistono vari modi di sinterizzazione delle ceramiche AlN nel settore e possono essere adottati diversi metodi di sinterizzazione per ottenere corpi ceramici densi in base alle esigenze effettive. Indipendentemente dal metodo di sinterizzazione, la raffinazione della polvere AlN originale e l'aggiunta di idonei additivi di sinterizzazione a basse temperature possono ridurre efficacemente la temperatura di sinterizzazione delle ceramiche al nitruro di alluminio. 

(1) Utilizzando polvere di nitruro di alluminio di piccole dimensioni

La forza trainante del processo di sinterizzazione del nitruro di alluminio è l'energia superficiale e la polvere di AlN a grana fine può migliorare il processo di sinterizzazione è l'energia superficiale e la polvere di AlN a grana fine può migliorare l'attività di sinterizzazione e aumentare la forza motrice della sinterizzazione per accelerare la sinterizzazione processi. Gli studi hanno confermato che quando la dimensione iniziale delle particelle della polvere AlN originale è 20 volte più piccola, la velocità di sinterizzazione della ceramica aumenterà di 147 volte.

Le materie prime di sinterizzazione devono essere selezionate dalla polvere di nitruro di alluminio con particelle di piccole dimensioni e distribuzione uniforme, che possono prevenire la ricristallizzazione secondaria e le grandi particelle interne sono soggette a una crescita anormale dei grani che non favorisce la sinterizzazione di densificazione; se le particelle non sono distribuite uniformemente, i singoli cristalli tendono a crescere anormalmente durante il processo di sinterizzazione e influenzano la sinterizzazione.

Crescita del grano di nitruro di alluminio

A volte il meccanismo di sinterizzazione delle ceramiche al nitruro di alluminio è influenzato dalla dimensione della polvere originale. Le polveri di nitruro di alluminio di dimensioni microniche vengono sinterizzate secondo il meccanismo di diffusione massiva, mentre le polveri di dimensioni nanometriche vengono sinterizzate secondo il meccanismo di diffusione ai bordi del grano o di diffusione superficiale.

Tuttavia, per ora, la preparazione di polveri AlN fini e uniformi è molto difficile e la maggior parte di esse viene preparata con il metodo chimico umido combinato con il metodo di riduzione termica del carbonio, che non è solo complesso nel processo di sinterizzazione ma anche dispendioso in termini energetici, e non c'è ci sono ancora alcune limitazioni per la promozione e l'applicazione su larga scala. L'offerta interna di polvere di nitruro di alluminio ad alte prestazioni di piccole dimensioni è ancora molto scarsa.

(2) Selezione di additivi per sinterizzazione a bassa temperatura per ceramiche di nitruro di alluminio

Aggiungendo alcuni additivi di sinterizzazione a basso punto di fusione nel processo di sinterizzazione, è possibile produrre una fase liquida per favorire la sinterizzazione densa. Inoltre, alcuni additivi di sinterizzazione non solo possono generare fase liquida, ma anche reagire con le impurità dell'ossigeno nel reticolo, che possono svolgere il ruolo di rimuovere le impurità dell'ossigeno per purificare il reticolo, migliorando così la conduttività termica delle ceramiche AlN.

Diagramma schematico del processo di azione degli additivi per sinterizzazione

Tuttavia, gli additivi per la sinterizzazione non dovrebbero essere aggiunti alla cieca e la quantità aggiunta dovrebbe essere appropriata, altrimenti potrebbe avere un effetto dannoso. Gli additivi per sinterizzazione introducono una seconda fase e il controllo della distribuzione della seconda fase ha un grande impatto sulla conduttività termica.

Dopo la ricerca, nella selezione degli additivi per sinterizzazione a bassa temperatura per la ceramica AlN si dovrebbe fare riferimento ai seguenti punti:

1) L'additivo ha un basso punto di fusione ed è in grado di formare una fase liquida a una temperatura di sinterizzazione inferiore e favorire la sinterizzazione attraverso la fase liquida;

2) Gli additivi possono reagire con Al2O3 per rimuovere le impurità dell'ossigeno e purificare il reticolo AlN, migliorando così la conduttività termica;

3) Gli additivi non reagiscono con AlN per evitare la generazione di difetti;

4) Gli additivi non inducono la decomposizione e l'ossidazione di AlN per produrre Al2O3 e AlON, evitando una forte diminuzione della conduttività termica delle ceramiche di nitruro di alluminio.

I materiali ritenuti idonei come additivi per la sinterizzazione sono Y2O3, CaO, Li2O, BaO, MgO, SrO2, La2O3, HfO2 e CeO2, che non reagiscono con AlN, nonché alcuni fluoruri di metalli delle terre rare e metalli alcalino-terrosi e un un piccolo numero di composti con proprietà riducenti (CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN, ecc.).

Utilizzando un solo additivo per sinterizzazione, la sinterizzazione a pressione atmosferica richiede solitamente una temperatura superiore a 1800°C. L'utilizzo di additivi composti e la progettazione di additivi e rapporti ragionevoli può ridurre ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo efficace ed è attualmente anche un metodo comunemente utilizzato per la sinterizzazione a bassa temperatura del nitruro di alluminio.

Riepilogo

Il campo di applicazione dell'imballaggio elettronico con substrato ceramico di nitruro di alluminio sta diventando sempre più diffuso, sono state costruite anche alcune imprese nazionali in questo campo, tuttavia, rispetto al Mar Rosso dei mercati esteri da lungo tempo vicino, lo sviluppo cinese di substrati ceramici di nitruro di alluminio è ancora agli inizi, nella preparazione e produzione di polveri ad alte prestazioni e substrati ad alta conduttività termica presenta ancora un certo divario. Comprensione approfondita del meccanismo del materiale, dalla radice della medicina giusta, al fine di portare l'industria cinese dei substrati ceramici a un livello superiore.

Riferimento:

Preparazione del substrato ceramico AIN con elevata conduttività termica e imballaggio per LED ad alta potenza, Li Hongwei, Università cinese di Jiliang.

Questo articolo è ristampato da 360powder.com.