Perché hai bisogno dei nostri servizi, sai che stai ricevendo professionisti altamente qualificati che hanno la competenza e l'esperienza per assicurarti che il tuo progetto sia svolto correttamente e funzioni.
Come nuovo tipo di materiale di imballaggio per dispositivi elettronici, la ceramica AlN ha un'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. Quindi è uno dei materiali ceramici più promettenti dal cnsensus nazionale e internazionale.
Substrato ceramico in nitruro di alluminio, un materiale ideale per l'imballaggio di chip ad alta potenza, ad alto contenuto di piombo e di grandi dimensioni, la conduttività termica è stata al centro dell'attenzione del settore. L'attuale conduttività termica del substrato AlN commerciale rispetto alla sua conduttività termica teorica è ancora un grande divario. Pertanto, il miglioramento della maggiore conduttività termica del substrato ceramico AlN riducendo al contempo 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 maggiore conducibilità termica, è necessario studiare quali fattori influenzano la conducibilità 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 all'interno, quindi il trasferimento di calore si ottiene sotto forma di vibrazioni reticolari, che si chiama trasferimento di calore fononico. La parte ad alta temperatura del cristallo ha un'energia elevata e la parte a bassa temperatura ha una bassa. L'energia viene trasferita dall'alto verso il basso attraverso l'interazione tra 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, che sono collegate tra loro da molle (legami covalenti), in modo che la vibrazione di ciascun atomo debba tirare 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 conducibilità 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 la portata libera media del fonone. La capacità termica del materiale stesso (c) è quasi costante e la grande capacità termica del nitruro di alluminio è una delle ragioni dell'elevata conducibilità termica del nitruro di alluminio. La velocità del fonone (v) è correlata solo alla densità del cristallo e alle proprietà meccaniche elastiche, che possono anche essere considerate una costante, quindi la distanza di propagazione del fonone, è la chiave che influenza le prestazioni di conducibilità termica dell'alluminio macroscopico finale ceramica nitrurata.
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 vari scattering durante la diffusione del fonone. 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 conducibilità termica finale.
Fattori chiave che influenzano la conducibilità 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 dell'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 coadiuvanti di sinterizzazione per abbassare la temperatura di sinterizzazione. E allo stesso tempo, una seconda fase viene introdotta nel reticolo AlN, determinando una 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 a bordo grano; in termini di posizione di distribuzione, può essere suddivisa in distribuzione ai triangoli di bordo grano e altre posizioni ai bordi di grano. I grani distribuiti in continuolu possono fornire un accesso più diretto ai fononi e il contatto diretto con i grani AlN ha una conduttività termica maggiore rispetto ai grani AlN isolati, quindi è meglio che la seconda fase sia distribuita continuamente; Le ceramiche AlN distribuite sul triangolo di confine del grano producono meno dispersione di interferenza 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 bordo grano producono meno dispersione di interferenza durante la conduzione del calore e possono mantenere il contatto tra i grani AlN, quindi è meglio che la seconda fase sia distribuita sul triangolo bordo grano.
Diagramma schematico della distribuzione della seconda faseall'interno del cristallo aln
Inoltre, la distribuzione non uniforme di bordi di grano simili porta alla presenza di un gran numero di pori, che ostacola la diffusione dei fononi e porta 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 della conduttività termica.
Pertanto, durante la sinterizzazione delle ceramiche AlN, la conduttività termica delle ceramiche AlN può essere migliorata migliorando il processo di sinterizzazione mediante 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 localizzata il più possibile ai bordi di grano trigonali.
(2) L'effetto delle impurità dell'ossigeno sulla conduttività termica.
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 vacanza dell'alluminio nella soluzione solida di ossigeno nel reticolo AlN. E porta ad un aumento della diffusione dei fononi, una diminuzione del campo libero medio e una conseguente diminuzione della conduttività termica.
Contenuto di ossigeno (% in peso) | Conducibilità termica (W/m·K) |
0.31 | 130 |
0,24 | 146 |
0.19 | 165 |
0.13 | 171 |
0.12 | 185 |
Contenuto di ossigeno e conducibilità termica nel reticolo di AlN
Pertanto, al fine di migliorare la conducibilità termica, l'aggiunta di un adeguato coadiuvante di sinterizzazione per rimuovere le impurità di ossigeno nel reticolo è 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 è fino a 3000 ℃ o più e la temperatura di sinterizzazione è persino superiore a 1900 ℃. Una temperatura di sinterizzazione così elevata limita seriamente l'applicazione pratica dell'AlN nell'industria.
Inoltre, le impurità dell'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 dell'ossigeno nello strato superficiale verso il 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 indispensabile per la preparazione di materiali ceramici AlN con elevata conduttività termica.
Attualmente, esistono vari modi di sinterizzare le ceramiche AlN nell'industria e diversi metodi di sinterizzazione possono essere adottati per ottenere corpi ceramici densi in base alle effettive esigenze. Indipendentemente dal metodo di sinterizzazione, la raffinazione della polvere AlN originale e l'aggiunta di idonei additivi per la sinterizzazione a basse temperature possono ridurre efficacemente la temperatura di sinterizzazione delle ceramiche al nitruro di alluminio.
(1) Utilizzo di polvere di nitruro di alluminio di piccole dimensioni
La forza motrice del processo di sinterizzazione del nitruro di alluminio è l'energia superficiale e la polvere AlN a grana fine può migliorare il processo di sinterizzazione è l'energia superficiale e la polvere 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, il tasso di sinterizzazione della ceramica aumenterà di 147 volte.
Le materie prime di sinterizzazione devono essere selezionate da polvere di nitruro di alluminio con particelle di piccole dimensioni e distribuzione uniforme, che possono impedire la ricristallizzazione secondaria e le grandi particelle interne sono soggette a una crescita anormale del grano che non favorisce la sinterizzazione per densificazione; se le particelle non sono distribuite uniformemente, i singoli cristalli sono soggetti a una crescita anormale durante il processo di sinterizzazione e influenzano la sinterizzazione.
Crescita dei grani di nitruro di alluminio
A volte il meccanismo di sinterizzazione delle ceramiche al nitruro di alluminio è influenzato dalle dimensioni della polvere originale. Le polveri di nitruro di alluminio di dimensioni micron vengono sinterizzate secondo il meccanismo di diffusione di massa, mentre le polveri di dimensioni nanometriche vengono sinterizzate secondo il meccanismo di diffusione del bordo di 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 di energia, e quindi esistono ancora alcune limitazioni per la promozione e l'applicazione su larga scala. La fornitura 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 al nitruro di alluminio
Aggiungendo alcuni additivi di sinterizzazione a basso punto di fusione nel processo di sinterizzazione, può produrre una fase liquida per promuovere la sinterizzazione densa. Inoltre, alcuni additivi di sinterizzazione possono non solo 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 ilconducibilità termica delle ceramiche AlN.
Diagramma schematico del processo di azione degli additivi di 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 di sinterizzazione introducono una seconda fase e il controllo della distribuzione della seconda fase ha un grande impatto sulla conducibilità termica.
Dopo la ricerca, nella selezione degli additivi di sinterizzazione a bassa temperatura per la ceramica AlN dovrebbe fare riferimento ai seguenti punti:
1) L'additivo ha un basso punto di fusione ed è in grado di formare una fase liquida ad 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 di AlN, migliorando così la conducibilità 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 conducibilità termica delle ceramiche di nitruro di alluminio.
I materiali ritenuti idonei come additivi di 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 piccolo numero di composti con proprietà riducenti (CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN, ecc.).
Utilizzando un solo additivo di sinterizzazione, la sinterizzazione a pressione atmosferica richiede solitamente una temperatura superiore a 1800°C. L'uso di additivi composti e la progettazione di additivi e rapporti ragionevoli possono ridurre ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo efficace, ed è anche un metodo comunemente usato per la sinterizzazione a bassa temperatura del nitruro di alluminio al momento.
Riepilogo
Il campo di applicazione dell'imballaggio elettronico del substrato ceramico in nitruro di alluminio sta diventando sempre più diffuso, ci sono anche alcune imprese nazionali in questo campo che sono state costruite, tuttavia, rispetto al Mar Rosso lungo e vicino dei mercati esteri, lo sviluppo del substrato ceramico in nitruro di alluminio cinese è ancora agli inizi, nella preparazione e produzione di polvere ad alte prestazioni e substrato ad alta conducibilità termica ha 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 ad alta conducibilità termica e confezionamento per LED ad alta potenza, Li Hongwei, Università cinese di Jiliang.
Questo articolo è ristampato da 360powder.com.
Perché hai bisogno dei nostri servizi, sai che stai ricevendo professionisti altamente qualificati che hanno la competenza e l'esperienza per assicurarti che il tuo progetto sia svolto correttamente e funzioni.
se desideri una consulenza gratuita, inizia bg compilando il modulo:
Ricevi informazioni sulla vendita, notizie e aggiornamenti nella tua casella di posta.