Przez dziesięciolecia hybrydowe obwody zintegrowane o dużej mocy wykorzystywały głównie ceramikę AL₂O₃ (tlenek glinu) i Beo (Beryllia) jako materiałów podłoża. Jednak Al₂o₃ cierpi na niską przewodność cieplną (24–30 W/(M · K)) i współczynnik rozszerzania cieplnego (CTE) niedopasowany z krzemionem, podczas gdy Beo, pomimo doskonałej wydajności, napotyka ograniczenia z powodu wysokich kosztów produkcji i toksyczności. W związku z tym żaden materiał nie spełnia rozwijających się wymagań nowoczesnych urządzeń elektronicznych o dużej mocy pod względem wydajności, kosztów i zrównoważonego rozwoju środowiska.
Ceramika azotku aluminiowego (ALN), z ich wyjątkowymi właściwościami, pojawiła się jako zaawansowany materiał ceramiczny nowej generacji. Ich wysoka przewodność cieplna, niska stała dielektryczna, niska strata dielektryczna, doskonała izolacja elektryczna, CTE dopasowana do krzemu i nietoksyczność sprawiają, że są idealne do podłoża o dużej gęstości, o dużej mocy i dużej prędkości i opakowania. Wśród tych atrybutów wysoka przewodność cieplna wyróżnia się jako najważniejsza cecha ALN. Teoretycznie przewodność cieplna ALN może osiągnąć 320 W/(M · K), rządzony przez transfer ciepła za pośrednictwem fononu-proces napędzany wibracjami sieciowymi (fononami) propagującymi się przez strukturę krystaliczną.
Obrazy struktury krystalicznej azotku aluminiowego (ALN)
Wyzwania w osiąganiu teoretycznej przewodności cieplnej
Jako ceramika izolacyjna transfer ciepła w ALN występuje poprzez wibracje sieci atomowe (przewodnictwo fononowe), gdzie fonony działają jako główne nośniki energii cieplnej. Jednak praktyczna przewodność cieplna produktów ALN jest znacznie niezależna od wartości teoretycznej z powodu zanieczyszczeń i wad kryształowych, które zakłócają propagację fononu.
1. Zanieczyszczenia tlenu: czynnik dominujący
ALN Powder zazwyczaj zawiera pierwiastki zanieczyszczeń, takie jak jony tlenu, węgla i metali śladowych. W szczególności tlen odgrywa decydującą rolę w degradowaniu przewodności cieplnej. Kluczowe mechanizmy obejmują:
Utlenianie powierzchni: ALN jest podatne na hydrolizę i utlenianie, tworząc warstwę Al₂o₃ na jej powierzchni. Ten al₂o₃ rozpuszcza się w sieci ALN, generując wolne miejsca aluminiowe (v <sUb> al </Ub>).
Włączenie tlenu do sieci: silne powinowactwo tlenu do ALN pozwala mu łatwo zastąpić miejsca azotu (N) w sieci. Przy stężeniach tlenu [o] <0,75%atomy tlenu równomiernie zajmują miejsca, które towarzyszą wakaty glinu. Przy [O] ≥ 0,75%tlen powoduje zniekształcenia strukturalne, zmieniając obłożenie miejsca glinu i tworząc wady oktaedryczne. Wyższe stężenia tlenu indukują rozszerzone defekty, w tym uskoki bogate w tlen, domeny inwersji i transformacje politypiczne.
Te defekty związane z tlenem drastycznie zwiększają przekroje rozpraszania fononu, skracając średnią ścieżkę fononową (MFP)-krytyczny parametr rządzący przewodnością cieplną. Przewodność cieplna (κ) materiału wyraża się jako:
Związek między przewodnością cieplną azotku aluminium (ALN) a temperaturą 2. Inne mechanizmy defektów
Granice ziarna: Policrystalna ALN zawiera granice ziarna, które rozpraszają fonony, dodatkowo zmniejszając MFP.
Pustki i porowatość: resztkowe pory z spiekania działają jako centra rozpraszające fonon.
Fazy wtórne: zanieczyszczenia, takie jak węgliki lub reszty metaliczne, tworzą fazy wtórne, zakłócając ciągłość sieci.
Strategie łagodzenia
Aby podejść do teoretycznego przewodności cieplnej ALN, zaawansowane techniki syntezy koncentrują się na:
Surowce o wysokiej walce: minimalizacja tlenu (<100 ppm) i zanieczyszczenia metaliczne podczas syntezy proszku.
Kontrolowane spiekanie: przy użyciu dodatków takich jak Y₂O₃ do tłumienia włączenia tlenu podczas promowania zagęszczenia.
Inżynieria wad: dostosowanie wielkości i orientacji ziarna w celu zminimalizowania rozpraszania granicy ziarna.
Podczas gdy teoretyczna przewodność cieplna ALN wynosząca 320 W/(M · K) pozostaje nieuchwytna w produktach komercyjnych, ciągłe postępy w oczyszczaniu materiałów, kontroli defektów i optymalizacji procesu zawężają tę lukę. Przezwyciężanie defektów związanych z tlenem pozostaje kamieniem węgielnym do odblokowania pełnego potencjału ALN w elektronice o dużej mocy, gdzie zarządzanie termicznie jest najważniejsze.
