Какие факторы влияют на теплопроводность керамики AlN?

Уникальные преимущества керамики на основе нитрида алюминия

По сравнению с обычной керамикой на основе оксида алюминия (Al₂O₃), керамика из нитрида алюминия (AlN) предлагают следующие отличительные преимущества:

Самым значительным преимуществом AlN является его чрезвычайно высокая теплопроводность, теоретическое значение которой достигает 320 Вт/(м·К), что в 5–10 раз больше, чем у оксида алюминия. Это означает, что при тех же условиях эксплуатации керамика AlN может выдерживать более высокие плотности теплового потока. В качестве упаковочной подложки или корпуса керамика AlN особенно полезна для рассеивания тепла в мощных чипах или модулях. При изготовлении нагревательных элементов из металлокерамики AlN (Керамические нагреватели AlN), они обеспечивают быстрый нагрев. При изготовлении в электростатические патроны (Электростатические держатели) позволяют быстро производить предварительный нагрев/нагрев адсорбированных пластин.

AlN имеет низкий коэффициент теплового расширения (КТР), всего 4,3 ppm/K, что близко к коэффициенту кремниевых чипов (3,5–4,0 ppm/K). Это означает, что существует естественная высокая степень соответствия теплового расширения между кремниевыми чипами и керамикой AlN, что по сути повышает надежность упаковки.

Кроме того, керамика AlN демонстрирует механические свойства, электрические характеристики и коррозионную стойкость, сопоставимые с показателями керамики на основе оксида алюминия.

Керамика AlN сочетает в себе высокую теплопроводность, низкое тепловое расширение, высокую прочность и стойкость к химической коррозии, что делает ее идеальным материалом для рассеивания тепла, особенно для применения в крупномасштабных интегральных схемах и высокопроизводительных электронных устройствах.

Факторы, влияющие на теплопроводность керамики AlN

Поскольку керамика AlN является изолирующим твердым телом, вклад электронного и фотонного переноса тепла незначителен. Их основной механизм переноса тепла — фононная (решеточная) проводимость. Связи Al-N в керамике AlN имеют высокую энергию связи и короткую длину связи, что приводит к высокой скорости распространения фононов, что объясняет их высокую теплопроводность.

Хотя теоретическая теплопроводность AlN может достигать 320 Вт/(м·К), в настоящее время только несколько компаний могут производить керамику AlN с теплопроводностью до 230 Вт/(м·К). Обычно фактическая теплопроводность коммерческих продуктов колеблется в пределах 150–180 Вт/(м·К). Факторы, влияющие на теплопроводность керамики AlN, следующие:

С микроскопической точки зрения границы зерен, интерфейсы, вторичные фазы, дефекты и рассеяние фононов в кристаллической структуре влияют на передачу фононов. Из практического опыта, основными факторами, влияющими на теплопроводность керамики AlN, являются плотность решетки, содержание кислорода, чистота сырого порошка и микроструктура.

1. Плотность

Образцы с низкой плотностью содержат многочисленные поры, которые рассеивают фононы и уменьшают их среднюю длину свободного пробега, тем самым снижая теплопроводность керамики AlN. Кроме того, образцы с низкой плотностью могут не соответствовать требованиям к механическим характеристикам для определенных применений.

2. Содержание кислорода

Из-за сильного сродства между AlN и кислородом поверхность AlN легко окисляется при воздействии воздуха или влаги, образуя пленку оксида алюминия. Это приводит к появлению вакансий алюминия и дефектов кислорода, которые могут диффундировать в решетку AlN во время спекания. После того, как эти дефекты распространяются по всей кристаллической сетке AlN, длина свободного пробега фононов уменьшается, что приводит к снижению теплопроводности.

3. Дефекты решетки

Исследования показали, что типы дефектов в решетках AlN (керамика на основе нитрида алюминия) связаны с концентрацией атомов кислорода.

При концентрации кислорода ниже 0,75% атомы кислорода равномерно распределяются в решетке AlN, замещая атомы азота и образуя вакансии алюминия.

При концентрации кислорода 0,75% и выше положение атомов алюминия в решетке AlN смещается, устраняя вакансии алюминия и создавая октаэдрические дефекты.

При более высоких концентрациях кислорода в решетке развиваются протяженные дефекты, такие как политипы, инверсионные домены и дефекты упаковки, содержащие кислород.

Меры по улучшению теплопроводности керамики AlN

1. Увеличить плотность

Используйте мелкозернистые, хорошо спекаемые микро/нанопорошки, включайте спекающие добавки или применяйте методы спекания с применением высокоэнергетических физических сил для повышения плотности спеченной керамики.

2. Уменьшение содержания кислорода и внутренних дефектов.

Выбирайте высокочистые, низкокислородные исходные порошки. Убедитесь, что хранение исходных порошков и формование полуфабрикатов не подвергаются воздействию влаги. Строго контролируйте уровень кислорода во время спекания в атмосфере.

О Технология Сямынь Джуси

Xiamen Juci Technology является ведущей порошок AlN и Производство керамики AlN в Китае. Наши продукты отличаются превосходной теплопроводностью, электроизоляцией и механической прочностью, широко используются в электронной упаковке, полупроводниках, рассеивании тепла светодиодов и других областях. Благодаря передовым производственным процессам и строгому контролю качества мы обеспечиваем высокую надежность Подложки AlN, структурные компоненты и индивидуальные решения для поддержки передовых производственных отраслей.

Контакт для СМИ:
Сямэньская технологическая компания Juci, ООО

Телефон: +86 592 7080230
Электронная почта: miki_huang@chinajuci.com

Веб-сайт: www.jucialnglobal.com