（Przewodność cieplna różnych ceramicznych materiałów podłoża）
Unikalne zalety ceramiki azotku aluminiowego
W porównaniu ze zwykłą ceramiką tlenku glinu (AL2O3) ceramika azotku aluminiowego (ALN) mają następujące unikalne zalety:
Największą zaletą azotku aluminiowego jest jego niezwykle wysoka przewodność cieplna.
Jego wartość teoretyczna może osiągnąć 320 W/(M · K), czyli od 5 do 10 razy większej niż tlenk. Oznacza to, że w tych samych warunkach pracy ceramika azotku aluminiowego może wytrzymać większą gęstość strumienia ciepła. W przypadku podłoża lub osłony opakowania ceramika azotku aluminiowego jest szczególnie korzystna dla rozpraszania ciepła chipsów lub modułów o dużej mocy. Po wykonaniu do aluminiowego azotku ceramicznego ceramicznego ogrzewania (grzejnik metalowo-ceramiczny), mogą osiągnąć szybkie ogrzewanie. Po wykonaniu azotku aluminiowego elektrostatyczne chucki (elektro-statyczne chuck) mogą szybko podgrzewać lub podgrzewać adsorbowane płytki.
Ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, tylko 4,3 ppm/k, który jest zbliżony do wiórów krzemowych (3,5 - 4,0 ppm/k). Wskazuje to, że istnieje naturalny dopasowanie wysokiego rozszerzenia termicznego między wiórami krzemowymi a ceramiką azotku aluminium, co niewidocznie poprawia niezawodność opakowania.
Ponadto właściwości mechaniczne, właściwości elektryczne i odporność na korozję ceramiki azotku glinu są porównywalne z właściwościami ceramiki glinu.
Ceramika azotku aluminium może łączyć wysoką przewodność cieplną, niski współczynnik rozszerzania, wysoką wytrzymałość i odporność na korozję chemiczną, co czyni je idealnym materiałem rozpraszania ciepła, szczególnie w przypadku zastosowań w obwodach zintegrowanych na dużą skalę i wysokowydajne urządzenia elektroniczne.
Czynniki wpływające na przewodność cieplną ceramiki azotku aluminium
Ponieważ ceramika azotku aluminium izolują stałe, wpływ transferu ciepła elektronów i fotonów jest wyjątkowo mały. Głównym mechanizmem przewodzenia ciepła jest transfer ciepła fonon (wibracje sieci). Wiązanie Al-N w ceramice azotku aluminium ma stosunkowo wysoką energię wiązania i krótką długość wiązania, więc prędkość propagacji fononu jest szybka, co jest przyczyną jego wysokiej przewodności cieplnej.
Chociaż teoretycznie przewodność cieplna azotku aluminium może osiągnąć 320 W/(M · K), obecnie tylko kilka firm może sprawić, że przewodność cieplna ceramiki azotku aluminium osiągnęła 230 W/(M · K). Zwykle przewodność cieplna rzeczywistych produktów wynosi tylko 150–180 W/(M · K). Czynniki wpływające na przewodność cieplną ceramiki azotku glinu są następujące:
Z praktycznego doświadczenia główne czynniki wpływające na przewodność cieplną ceramiki azotku aluminium obejmują gęstość sieci, zawartość tlenu, czystość proszków surowców i mikrostruktura.
Gęstość
Próbki o niskiej gęstości mają dużą liczbę porów, które wpłyną na rozpraszanie fononów i zmniejszy ich średnią wolną ścieżkę, zmniejszając w ten sposób przewodność cieplną ceramiki azotku aluminium. Tymczasem właściwości mechaniczne próbek o niskiej gęstości mogą również nie spełniać wymagań odpowiednich zastosowań.
Zawartość tlenu
Ponieważ azotek aluminium ma silne powinowactwo do tlenu, gdy azotek aluminiowy wchodzi w kontakt z powietrzem lub wodą, jego powierzchnia jest łatwo utleniona i tworzy furtę tlenkową aluminiową, co powoduje wakatę aluminiową i defekty tlenu. Wakaty z aluminium i defekty tlenu są łatwe do rozproszenia w sieci ALN podczas procesu spiekania. Po wakatach aluminiowych i wadach tlenu rozprzestrzenianych w całej sieci kryształowej azotku aluminium średnia wolna ścieżka fononów jest zmniejszona, co prowadzi do zmniejszenia przewodności cieplnej.
Wady kratowe
Badania wykazały, że rodzaje defektów w sieci AIN (ceramika azotku glinu) są związane ze stężeniem atomów tlenu. Gdy stężenie tlenu jest niższe niż 0,75%, atomy tlenu są równomiernie rozmieszczone w sieci AIN (azotek aluminium), zastępując pozycje atomów azotu w AIN, a wakaty aluminiowe towarzyszą im. Gdy stężenie tlenu nie jest niższe niż 0,75%, pozycje atomów aluminiowych w AIN (ceramika azotku glinu) zmieni się, znikają wakaty z glinu i powstają defekty oktaedryczne. Gdy stężenie atomu tlenu jest jeszcze wyższe, w swojej sieci wytwarzane są rozszerzone wady, takie jak politypy, domeny inwersji i uskoki zawierające tlen.
Środki mające na celu poprawę przewodności cieplnej ceramiki azotku aluminium
Po pierwsze, zwiększ gęstość. Wybierz drobnoziarniste, mikro-nano-nano proszki, narkotyki z pomocy spiekania i użyj spiekania o wysokiej energii wspomaganej fizycznie i innych metod poprawy gęstości ceramiki.
Po drugie, zmniejsz zawartość tlenu i wady wewnętrzne. Wybierz proszki surowcowe o wysokiej czystości, niskoksygen. Przechowywanie proszków surowców i tworzenie częściowo wykończonych produktów powinny unikać wpływu pary wodnej. Podczas procesu spiekania atmosfery zawartość tlenu powinna być ściśle kontrolowana.
