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影響氮化鋁陶瓷基板的熱導率的因素有哪些

發布時間:2021-09-27 09:15:32

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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AlN陶瓷概況


AlN是一種結構穩定且具有六方纖鋅礦結構,無其他同質異型物存在的共價鍵型化合物。它的晶體結構是由鋁原子和臨近的氮原子歧變產生的AlN4四面體為結構單元;空間群為P63mc,屬于六方晶系。


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AlN 晶體結構示意圖


AlN陶瓷的主要特點:

(1)熱導率高,是氧化鋁陶瓷的5-10倍;

(2)熱膨脹系數(4.3×10-6/℃)與半導體硅材料(3.5-4.0×10-6/℃)匹配; 

(3)機械性能好; 

(4)電性能優良,具有極高的絕緣電阻和低的介質損耗; 

(5)可以進行多層布線,實現封裝的高密度和小型化; 

(6)無毒,有利于環保。 



影響AlN陶瓷熱導率的各種因素

在300K下,AlN單晶材料理論熱導率高達319W/(m·K),但是在實際生產過程中,由于材料的純度、內部缺陷(位錯、氣孔、雜質、點陣畸變)、晶粒取向和燒結工藝等各種因素的影響,其熱導率也會受影響,常常低于理論值。


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微觀結構對熱導率的影響

單晶AlN的熱傳導機理是聲子傳熱,所以AlN的導熱性能可能主要受晶體中的晶界、界面、第二相、缺陷、電子及聲子本身對其散射控制的影響。由晶格固體振動論可知,聲子散射與熱導率λ的關系式為: 

λ=l/3cv

式中c為熱容,v為聲子平均速度,l為聲子平均自由程。從上式可知,氮化鋁的熱導率λ與聲子的平均自由程l成正比,l越大,熱導率越高。從微觀結構來看,聲子與聲子之間的相互作用、聲子與雜質、晶界缺陷的相互作用,均會引發散射,會對聲子的平均自由程產生影響,從而影響其熱導率。


總結:

AlN的微觀結構對其熱導率影響較大,若想獲得高熱導率的氮化鋁陶瓷,盡量要使氮化鋁晶體缺陷少,雜質含量少。


氧雜質含量對熱導率的影響

研究表明:AlN和氧的親和力很強,易氧化,導致其表面易生成氧化鋁膜,由于Al2O3中氧原子的溶入,取代了AlN中的氮原子的位置,產生了鋁空位,形成了氧缺陷,具體反應如下: 

Al2O3→2AlAl+3ON+VAl

式中ON為氧原子取代氮化鋁晶格中的氮的位置,VAl為鋁空位。形成的鋁空位散射聲子,導致聲子的平均自由程降低,所以AlN基板的熱導率也會降低。

研究得出結論:AlN晶格中的缺陷種類和氧原子濃度有關。

●當氧濃度低于 0.75%時,氧原子均勻散布在AlN晶格中,取代著AlN中氮原子的位置,鋁空穴伴隨而生;

●當氧濃度不低于 0.75%時,AlN晶格中的鋁原子的位置會發生變化,鋁空位消失,產生八面體缺陷;

★當氧原子濃度更高時,其晶格產生多型體、反演疇、含氧層錯等延展缺陷。以熱力學為切入點,研究發現氮化鋁晶格中氧的量受鋁酸鹽反應吉布斯自由能|ΔG°|的影響,|ΔG°|越大,氮化鋁晶格中的氧越少,因而就會有更高的熱導率。


總結:

由此可見AlN的熱導率受氧雜質的影響較為嚴重,氧雜質的存在是其熱導率降低的重要原因。


合適的燒結助劑可實現提高熱導率

為了提高AlN熱率,通常會選擇在燒結時加入所需的助燒劑以達到降低燒結溫度、去除晶格中的氧進而實現提高 AlN 熱導率的目的。

目前關注較多的是多元復合燒結助劑的添加,經實驗發現,在AlN中增加復合助燒劑Y2O3-Li2O、Y2O3-CaC2、Y2O3-CaF2、Y2O3-Dy2O3時,可以獲得較為致密、氧雜質及第二相均較少的AlN樣品。


總結:

選擇合適的復合體系的燒結助劑可以實現AlN較低的燒結溫度和有效凈化晶界,獲得具有較高熱導率的AlN。




參考來源:

1.大功率LED用高熱導率氮化鋁陶瓷基座的制備與封裝研究-李宏偉

2.功率電子器件封裝用氮化鋁陶瓷基板覆銅的研究-陳科成






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