（Conductivité thermique de différents matériaux de substrat en céramique）
Avantages uniques des céramiques de nitrure d'aluminium
Par rapport à la céramique en alumine ordinaire (Al2O3), les céramiques en aluminium (ALN) ont les avantages uniques suivants:
Le plus grand avantage du nitrure d'aluminium est sa conductivité thermique extrêmement élevée.
Sa valeur théorique peut atteindre 320 w / (m · k), qui est 5 à 10 fois celle de l'alumine. Cela signifie que dans les mêmes conditions de travail, les céramiques de nitrure d'aluminium peuvent résister à une plus grande densité de flux de chaleur. Lorsqu'elles sont utilisées comme substrats ou enveloppes d'emballage, la céramique au nitrure d'aluminium est particulièrement bénéfique pour la dissipation thermique des puces ou modules de haute puissance. Lorsqu'elles sont transformées en éléments de chauffage en aluminium en nitrure de nitrure-céramique (radiateur en métal-céramique), ils peuvent obtenir un chauffage rapide. Lorsqu'elles sont transformées en chucks électrostatiques au nitrure en aluminium (mandrin électro-statique), ils peuvent rapidement préchauffer ou chauffer les tranches adsorbées.
Il a un faible coefficient d'expansion thermique, seulement 4,3 ppm / k, qui est proche de celui des puces de silicium (3,5 - 4,0 ppm / k). Cela indique qu'il existe une correspondance naturelle de dilatation thermique entre les puces de silicium et les céramiques de nitrure d'aluminium, ce qui améliore invisiblement la fiabilité de l'emballage.
De plus, les propriétés mécaniques, les propriétés électriques et la résistance à la corrosion des céramiques de nitrure d'aluminium sont comparables à celles de la céramique d'alumine.
La céramique en nitrure en aluminium peut combiner une conductivité thermique élevée, un coefficient d'expansion faible, une résistance élevée et une résistance à la corrosion chimique, ce qui en fait un matériau de dissipation thermique idéale, en particulier pour les applications dans les circuits intégrés à grande échelle et les dispositifs électroniques à haute performance.
Facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium
Étant donné que les céramiques au nitrure d'aluminium sont des solides isolants, l'influence du transfert de chaleur électronique et des photons est extrêmement faible. Le principal mécanisme de conduction thermique est le transfert de chaleur phonon (vibration du réseau). La liaison Al-N dans la céramique au nitrure d'aluminium a une énergie de liaison relativement élevée et une courte durée de liaison, de sorte que la vitesse de propagation du phonon est rapide, ce qui est la raison de sa conductivité thermique élevée.
Bien que théoriquement la conductivité thermique du nitrure d'aluminium puisse atteindre 320 W / (M · K), seules quelques entreprises peuvent faire la conductivité thermique de la céramique de nitrure d'aluminium atteignant 230 W / (M · K). Habituellement, la conductivité thermique des produits réels n'est que de 150 à 180 W / (M · K). Les facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium sont les suivantes:
D'après l'expérience pratique, les principaux facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium comprennent la densité du réseau, la teneur en oxygène, la pureté des poudres de matières premières et la microstructure.
Densité
Les échantillons à faible densité ont un grand nombre de pores, ce qui affectera la diffusion des phonons et réduira leur libre parcours moyen, réduisant ainsi la conductivité thermique de la céramique de nitrure d'aluminium. Pendant ce temps, les propriétés mécaniques des échantillons de basse densité peuvent également ne pas répondre aux exigences des applications pertinentes.
Teneur en oxygène
Parce que le nitrure d'aluminium a une forte affinité pour l'oxygène, lorsque le nitrure d'aluminium entre en contact avec de l'air ou de l'eau, sa surface est facilement oxydée et forme un film d'oxyde d'aluminium, entraînant des lacunes en aluminium et des défauts d'oxygène. Les lacunes en aluminium et les défauts d'oxygène sont faciles à diffuser dans le réseau aln pendant le processus de frittage. Après que les postes vacants en aluminium et les défauts d'oxygène se sont propagés dans tout le réseau cristallin de nitrure d'aluminium, le libre parcours des phonons moyens est réduit, conduisant à une diminution de la conductivité thermique.
Défauts de réseau
La recherche a révélé que les types de défauts dans le réseau AIN (nitrure en aluminium en céramique) sont liés à la concentration des atomes d'oxygène. Lorsque la concentration en oxygène est inférieure à 0,75%, les atomes d'oxygène sont répartis uniformément dans le réseau AIN (nitrure d'aluminium), remplaçant les positions des atomes d'azote dans l'AIN et les lacunes en aluminium les accompagnent. Lorsque la concentration en oxygène n'est pas inférieure à 0,75%, les positions des atomes d'aluminium dans le treillis AIN (nitrure en aluminium) changent, les lacunes en aluminium disparaissent et des défauts octaédriques sont générés. Lorsque la concentration d'atomes d'oxygène est encore plus élevée, des défauts étendus tels que les polytypes, les domaines d'inversion et les défauts d'empilement contenant de l'oxygène sont produits dans son réseau.
Mesures pour améliorer la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium
Tout d'abord, augmentez la densité. Choisissez des poudres de micro-nano à grain fin et à haute activité, et une dope avec des aides à frittage et utilisez un frittage physique à haute énergie et d'autres méthodes pour améliorer la densité de frittage de la céramique.
Deuxièmement, réduisez la teneur en oxygène et les défauts internes. Sélectionnez des poudres de matières premières à haute pureté et à faible teneur en oxygène. Le stockage des poudres de matières premières et la formation de produits semi-finis devraient éviter l'influence de la vapeur d'eau. Pendant le processus de frittage de l'atmosphère, la teneur en oxygène doit être strictement contrôlée.
