Per molto tempo, la maggior parte dei materiali del substrato dei circuiti integrati ibridi ad alta potenza utilizzano ceramiche Al2O3 e BeO, ma la conduttività termica del substrato Al2O3 è bassa e il coefficiente di espansione termica non è ben abbinato al Si. Sebbene le prestazioni globali di BeO siano eccellenti, i suoi elevati costi di produzione e le carenze altamente tossiche ne limitano l’applicazione e la promozione. Pertanto, in termini di prestazioni, costi e fattori di protezione ambientale, i due non possono soddisfare le esigenze dei moderni dispositivi elettronici di alimentazione e di sviluppo.
La ceramica al nitruro di alluminio ha eccellenti proprietà complete, è una nuova generazione di ceramica avanzata che è stata ampiamente interessata negli ultimi anni e ha una vasta gamma di prospettive applicative in molti aspetti, in particolare i vantaggi di elevata conduttività termica e bassa costante dielettrica , bassa perdita dielettrica, eccellente isolamento elettrico, coefficiente di dilatazione termica corrispondente al silicio e atossicità. Rendendolo un materiale ideale per circuiti integrati e pacchetti ad alta densità, alta potenza e alta velocità.
L'elevata conduttività termica è la caratteristica più significativa del substrato di nitruro di alluminio. Il meccanismo principale è: attraverso il reticolo o la vibrazione del reticolo, cioè attraverso il trasferimento di calore dell'onda reticolare o dell'onda termica.
Le ceramiche AlN sono materiali ceramici isolanti, per i materiali ceramici isolanti, l'energia termica viene trasferita mediante vibrazione atomica, che appartiene alla conduzione del calore dei fononi, i fononi svolgono un ruolo importante nel processo di conduzione del calore. La conduttività termica del nitruro di alluminio può teoricamente raggiungere 320w/ (m·k), cosa causa questo divario?
Sono presenti impurità e difetti nel nitruro di alluminio, il che fa sì che la conduttività termica del substrato di nitruro di alluminio sia lontana dal valore teorico. Le impurità nella polvere di nitruro di alluminio sono principalmente ossigeno e carbonio, e sono presenti anche una piccola quantità di impurità di ioni metallici, che producono varie forme di difetti nel reticolo, e la dispersione di questi difetti sul fonone ridurrà la conduttività termica.
Quindi quali sono i fattori che influenzano il percorso libero medio dei fononi?
1. Nel processo di trasferimento del calore, i difetti, i bordi dei grani, le lacune, gli elettroni e gli stessi fononi produrranno la diffusione dei fononi, riducendo così il percorso libero medio dei fononi e influenzando ulteriormente la conduttività termica.
L'ossigeno impuro e Al2O3 svolgono un ruolo importante nella diffusione dei difetti fononici.
1. Poiché AlN è facile da idrolizzare e ossidare, sulla superficie si forma uno strato di Al2O3 e Al2O3 viene disciolto nel reticolo di AlN per produrre posti vacanti di alluminio. 2.AlN ha una forte affinità con l'ossigeno, che è facile da inserire nel reticolo del nitruro di alluminio, e l'ossigeno nel reticolo ha un'elevata solubilità nello spostamento, che è facile da formare difetti di ossigeno.
La relazione tra difetti nel reticolo AlN e concentrazione di ossigeno:
Quando [O] <0,75% O è distribuito uniformemente nel reticolo AlN, occupa la posizione N in AlN ed è accompagnato da posti vacanti di Al.
Quando [O] ≥0,75% della posizione dell'atomo di Al cambia, il posto vacante di Al viene eliminato allo stesso tempo e si forma un difetto ottaedrico.
A concentrazioni più elevate si formeranno difetti estesi, come difetti di strati contenenti ossigeno, domini di inversione, corpi polivalenti, ecc.
La presenza di impurità di ossigeno influisce gravemente sulla conduttività termica dell'AlN. La presenza di difetti di ossigeno aumenta la sezione trasversale dell'area di diffusione dei fononi e diminuisce la conduttività termica di AlN.
Pertanto, la presenza di impurità di ossigeno influisce gravemente sulla conduttività termica di AlN, che è il principale fattore di riduzione della conduttività termica.
In sintesi, la ceramica al nitruro di alluminio con le sue proprietà complete uniche, in particolare l'elevata conduttività termica, la bassa costante dielettrica, la bassa perdita dielettrica, l'eccellente isolamento elettrico e il coefficiente di dilatazione termica corrispondente al silicio e le caratteristiche di non tossicità, diventano il materiale ideale per i moderni materiali ad alta densità , circuiti integrati e imballaggi ad alta potenza e alta velocità. Tuttavia, l'effettiva conduttività termica delle ceramiche al nitruro di alluminio è spesso molto inferiore al suo valore teorico, principalmente a causa della presenza di impurità e difetti nel materiale, in particolare impurità di ossigeno, e dell'effetto di dispersione sul processo di trasferimento del calore dei fononi.
Le impurità di ossigeno non solo entrano facilmente nel reticolo del nitruro di alluminio per formare difetti di ossigeno, ma causano anche cambiamenti più complessi nella struttura cristallina a concentrazioni più elevate, come difetti ottaedrici, difetti dello strato contenente ossigeno, domini di inversione, ecc., che riducono notevolmente la conduttività termica di nitruro di alluminio. Pertanto, l'ottimizzazione del processo di preparazione delle ceramiche al nitruro di Al, la riduzione del contenuto di impurità di ossigeno e il controllo della formazione di difetti cristallini sono la chiave per migliorare la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di Al.
Guardando al futuro, con il continuo progresso della scienza dei materiali e della tecnologia di preparazione, le prestazioni della ceramica al nitruro di alluminio saranno ulteriormente migliorate e la sua applicazione nei circuiti integrati ad alta potenza e in altri campi ad alta tecnologia sarà più ampio e approfondito. Allo stesso tempo, lo studio approfondito sul meccanismo di conduttività termica e sui fattori che influenzano la ceramica al nitruro di alluminio fornirà anche un importante riferimento per lo sviluppo di altri materiali ceramici avanzati.
