AlN è un composto di legame covalente stabile con struttura esagonale della wurtzite e nessun altro omomorfo. La sua struttura cristallina è composta dal tetraedro AlN4 prodotto dalla conversione di atomi di alluminio e atomi di azoto adiacenti. Il gruppo spaziale è P63mc, appartenente al sistema esagonale.
diagramma schematico della struttura cristallina dell'AlN
Le principali caratteristiche delle ceramiche AlN
(1) Elevata conduttività termica, 5-10 volte quella delle ceramiche di allumina;
(2) Il coefficiente di dilatazione termica (4,3×10-6/℃) corrisponde al materiale silicio semiconduttore (3,5-4,0×10-6/℃);
(3) Buone proprietà meccaniche;
(4) Eccellenti prestazioni elettriche, con altissima resistenza di isolamento e bassa perdita dielettrica;
(5) È possibile eseguire un cablaggio multistrato per ottenere un'elevata densità e miniaturizzazione dell'imballaggio;
(6) Non tossico, favorevole alla protezione dell'ambiente.
Vari fattori che influenzano la conduttività termica del substrato ceramico AlN
A 300K, la conduttività termica teorica del materiale monocristallino AlN è pari a 319 W/(m·K), ma nell'effettivo processo di produzione, a causa della purezza del materiale, difetti interni (dislocazione, porosità, impurità, distorsione reticolare ), orientamento dei grani, processo di sinterizzazione e altri fattori, ne risentirà anche la conduttività termica, spesso inferiore al valore teorico.
fattori che influenzano la conduttività termica delle ceramiche AlN
Effetto della microstruttura sulla conducibilità termica
Il meccanismo di conduzione del calore del singolo cristallo AlN è il trasferimento di calore del fonone, quindi la conduttività termica del substrato AlN può essere influenzata principalmente dal controllo della diffusione del confine del cristallo, dell'interfaccia, della seconda fase, del difetto, dell'elettrone e del fonone stesso. Secondo la teoria delle vibrazioni del solido reticolare, la relazione tra la diffusione dei fononi e la conduttività termica λ è la seguente:
λ=l/3cv, dove c è la capacità termica, v è la velocità media dei fononi e l è il percorso libero medio dei fononi.
Dalla formula sopra, si può vedere che la conduttività termica λ del nitruro di alluminio è proporzionale al percorso libero medio l dei fononi, e maggiore è l, maggiore è la conduttività termica. Dal punto di vista della microstruttura, l'interazione tra fononi e fononi, l'interazione tra fononi e impurità e i difetti ai bordi del grano causeranno la dispersione, che influenzerà il percorso libero medio dei fononi e quindi influenzerà la sua conduttività termica.
La microstruttura dell'AlN ha una grande influenza sulla sua conduttività termica. Per ottenere un substrato di nitruro di alluminio con elevata conduttività termica, è necessario ridurre al minimo i difetti dei cristalli di nitruro di alluminio e il contenuto di impurità.
Effetto del contenuto di impurità di ossigeno sulla conduttività termica
Gli studi dimostrano che l'AlN ha una forte affinità con l'ossigeno ed è facile da ossidare, formando una pellicola di allumina sulla sua superficie. A causa della dissoluzione degli atomi di ossigeno in Al2O3, sostituisce la posizione degli atomi di azoto in AlN, risultando in un posto vacante di alluminio e formando un difetto di ossigeno. La reazione specifica è la seguente:
Al2O3→2Al+3O, dove ON è la posizione in cui gli atomi di ossigeno sostituiscono l'azoto nel reticolo del nitruro di alluminio e VAl è il posto vacante di alluminio.
La vacanza di alluminio risultante disperde i fononi, determinando una diminuzione del percorso libero medio dei fononi, quindi diminuisce anche la conduttività termica del substrato AlN.
Si conclude che i tipi di difetti nel reticolo AlN sono correlati alla concentrazione degli atomi di ossigeno.
Quando la concentrazione di ossigeno è inferiore allo 0,75%, gli atomi di ossigeno vengono dispersi uniformemente nel reticolo AlN, sostituendo gli atomi di azoto nell'AlN, e si formano i lacune di alluminio.
Quando la concentrazione di ossigeno non è inferiore allo 0,75%, la posizione degli atomi di alluminio nel reticolo AlN cambierà e i posti vacanti di alluminio scompariranno, provocando difetti ottaedrici.
Quando la concentrazione di atomi di ossigeno è maggiore, il reticolo produrrà molti tipi, domini di inversione, difetti di strato contenenti ossigeno e altri difetti di estensione. Prendendo la termodinamica come punto di partenza, si è scoperto che la quantità di ossigeno nel reticolo del nitruro di alluminio è influenzata dall'energia libera di Gibbs della reazione dell'alluminato |ΔG°|. Maggiore è |ΔG°|, minore è l'ossigeno nel reticolo del nitruro di alluminio e quindi maggiore è la conduttività termica.
Si può vedere che la conduttività termica dell'AlN è seriamente influenzata dalle impurità dell'ossigeno e l'esistenza di impurità dell'ossigeno è una ragione importante per la diminuzione della sua conduttività termica.
Gli additivi di sinterizzazione idonei garantiscono il miglioramento della conduttività termica
Per migliorare la velocità termica di AlN, l'ausilio di sinterizzazione richiesto viene solitamente aggiunto durante la sinterizzazione per ridurre la temperatura di sinterizzazione e rimuovere l'ossigeno nel reticolo, raggiungendo così lo scopo di aumentare la conduttività termica di AlN.
Attualmente viene prestata maggiore attenzione all'aggiunta di additivi per la sinterizzazione dei compositi multicomponente. Gli esperimenti hanno scoperto che quando si aggiungono gli ausiliari di sinterizzazione compositi Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 e Y2O3-Dy2O3 ad AlN, si possono ottenere campioni di AlN relativamente densi con meno impurità di ossigeno e una seconda fase.
Gli additivi di sinterizzazione adatti del sistema composito possono raggiungere una bassa temperatura di sinterizzazione di AlN e purificare efficacemente il bordo del grano e ottenere AlN con elevata conduttività termica.
