（Conductividad térmica de diferentes materiales de sustrato cerámico）
Ventajas únicas de la cerámica de nitruro de aluminio
En comparación con la cerámica de alúmina ormina (AL2O3), la cerámica de nitruro de aluminio (ALN) tiene las siguientes ventajas únicas:
La mayor ventaja del nitruro de aluminio es su conductividad térmica extremadamente alta.
Su valor teórico puede alcanzar 320 w/(m · k), que es de 5 a 10 veces el de la alúmina. Esto significa que en las mismas condiciones de trabajo, la cerámica de nitruro de aluminio puede soportar una mayor densidad de flujo de calor. Cuando se usa como sustratos o carcasas de empaque, la cerámica de nitruro de aluminio es especialmente beneficiosa para la disipación de calor de chips o módulos de alta potencia. Cuando se convierten en elementos de calentamiento de metal-cerámica de nitruro de aluminio (calentador de metal-cerámica), pueden lograr un calentamiento rápido. Cuando se convierten en chucks electrostáticos de nitruro de aluminio (chuck electroestático), pueden precalentar o calentar rápidamente las obleas adsorbidas.
Tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, solo 4.3 ppm/k, que está cerca del de los chips de silicio (3.5 - 4.0 ppm/k). Esto indica que existe una coincidencia de expansión térmica natural entre chips de silicio y cerámica de nitruro de aluminio, que mejora invisiblemente la confiabilidad del envasado.
Además, las propiedades mecánicas, las propiedades eléctricas y la resistencia a la corrosión de la cerámica de nitruro de aluminio son comparables a las de la cerámica de alúmina.
La cerámica de nitruro de aluminio puede combinar una alta conductividad térmica, coeficiente de baja expansión, alta resistencia y resistencia a la corrosión química, lo que los convierte en un material de disipación de calor ideal, especialmente para aplicaciones en circuitos integrados a gran escala y dispositivos electrónicos de alto rendimiento.
Factores que afectan la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio
Dado que la cerámica de nitruro de aluminio son sólidos aislantes, la influencia de la transferencia de calor de electrones y fotones es extremadamente pequeña. El principal mecanismo de conducción de calor es la transferencia de calor de fonón (vibración en red). El enlace Al-N en la cerámica de nitruro de aluminio tiene energía de enlace relativamente alta y una longitud de enlace corta, por lo que la velocidad de propagación del fonón es rápida, que es la razón de su alta conductividad térmica.
Aunque teóricamente la conductividad térmica del nitruro de aluminio puede alcanzar 320 W/(M · K), actualmente solo unas pocas compañías pueden hacer que la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio alcance 230 W/(M · K). Por lo general, la conductividad térmica de los productos reales es de solo 150 - 180 w/(m · k). Los factores que afectan la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio son los siguientes:
Desde la experiencia práctica, los principales factores que afectan la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio incluyen densidad de red, contenido de oxígeno, pureza de polvos de materia prima y microestructura.
Densidad
Las muestras con baja densidad tienen una gran cantidad de poros, lo que afectará la dispersión de los fonones y reducirá su camino libre medio, reduciendo así la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio. Mientras tanto, las propiedades mecánicas de las muestras de baja densidad también pueden no cumplir con los requisitos de las aplicaciones relevantes.
Contenido de oxígeno
Debido a que el nitruro de aluminio tiene una fuerte afinidad por el oxígeno, cuando el nitruro de aluminio entra en contacto con el aire o el agua, su superficie se oxida fácilmente y forma una película de óxido de aluminio, lo que resulta en vacantes de aluminio y defectos de oxígeno. Las vacantes de aluminio y los defectos de oxígeno son fáciles de difundir en la red Aln durante el proceso de sinterización. Después de que las vacantes de aluminio y los defectos de oxígeno se extienden por la red de cristal de nitruro de aluminio, la ruta libre media de los fonones se reduce, lo que lleva a una disminución en la conductividad térmica.
Defectos de la red
La investigación ha encontrado que los tipos de defectos en la red (cerámica de nitruro de aluminio) están relacionados con la concentración de átomos de oxígeno. Cuando la concentración de oxígeno es inferior al 0,75%, los átomos de oxígeno se distribuyen uniformemente en la red (nitruro de aluminio), reemplazando las posiciones de los átomos de nitrógeno en AIN, y las vacantes de aluminio los acompañan. Cuando la concentración de oxígeno no es inferior al 0,75%, las posiciones de los átomos de aluminio en la red (cerámica de nitruro de aluminio) cambiarán, se generan vacantes de aluminio y se generan defectos octaédricos. Cuando la concentración de átomos de oxígeno es aún mayor, los defectos extendidos, como los politis, dominios de inversión y fallas de apilamiento que contienen oxígeno, se producen en su red.
Medidas para mejorar la conductividad térmica de la cerámica de nitruro de aluminio
En primer lugar, aumente la densidad. Elija polvos micro-nano de factura de alta calidad de grano fino, droga con ayudas de sinterización y use sinterización física de alta energía y otros métodos para mejorar la densidad de sinterización de la cerámica.
En segundo lugar, reduzca el contenido de oxígeno y los defectos internos. Seleccione los polvos de materia prima de alta pureza y bajo contenido de oxígeno. El almacenamiento de polvos de materia prima y la formación de productos semi-terminados debe evitar la influencia del vapor de agua. Durante el proceso de sinterización de la atmósfera, el contenido de oxígeno debe controlarse estrictamente.
