Die meisten Substratmaterialien von integrierten Hochleistungs-Hybridschaltkreisen verwenden seit langem Al2O3- und BeO-Keramiken, aber die Wärmeleitfähigkeit des Al2O3-Substrats ist gering und der Wärmeausdehnungskoeffizient stimmt nicht gut mit Si überein. Obwohl die Gesamtleistung von BeO hervorragend ist, schränken seine hohen Produktionskosten und seine hochtoxischen Nachteile seine Anwendung und Förderung ein. Aus Leistungs-, Kosten- und Umweltschutzgründen können beide daher die Anforderungen moderner elektronischer Leistungsgeräte und deren Entwicklung nicht erfüllen.
Aluminiumnitridkeramik verfügt über hervorragende Gesamteigenschaften, ist eine neue Generation von Hochleistungskeramiken, die in den letzten Jahren große Beachtung gefunden hat und in vielerlei Hinsicht ein breites Anwendungsspektrum bietet, insbesondere die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen Dielektrizitätskonstante , geringer dielektrischer Verlust, hervorragende elektrische Isolierung, thermischer Ausdehnungskoeffizient passend zu Silizium und ungiftig. Dies macht es zu einem idealen Material für hochdichte, leistungsstarke und schnelle integrierte Leiterplatten und Gehäuse.
Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist das wichtigste Merkmal des Aluminiumnitrid-Substrats. Der Hauptmechanismus ist: durch Gitter- oder Gittervibration, also durch Gitterwellen- oder Wärmewellen-Wärmeübertragung.
AlN-Keramiken sind isolierende Keramikmaterialien. Bei isolierenden Keramikmaterialien wird Wärmeenergie durch Atomvibration übertragen, die zur Phononen-Wärmeleitung gehört. Phononen spielen eine wichtige Rolle bei der Wärmeleitung. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid kann theoretisch 320 W/(m·k) erreichen, was verursacht diese Lücke?
Es gibt Verunreinigungen und Defekte im Aluminiumnitrid, was dazu führt, dass die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumnitrid-Substrats weit vom theoretischen Wert entfernt ist. Die Verunreinigungselemente im Aluminiumnitridpulver sind hauptsächlich Sauerstoff und Kohlenstoff, außerdem gibt es eine geringe Menge an Metallionenverunreinigungen, die verschiedene Defektformen im Gitter erzeugen, und die Streuung dieser Defekte auf dem Phonon verringert die Wärmeleitfähigkeit.
Welche Faktoren beeinflussen also die mittlere freie Weglänge von Phononen?
1. Beim Wärmeübertragungsprozess erzeugen die Defekte, Korngrenzen, Löcher, Elektronen und Phononen selbst eine Phononenstreuung, wodurch die mittlere freie Weglänge der Phononen verringert und die Wärmeleitfähigkeit weiter beeinflusst wird.
Verunreinigungssauerstoff und Al2O3 spielen eine wichtige Rolle bei der Phononendefektstreuung.
1. Da AlN leicht zu hydrolysieren und zu oxidieren ist, bildet sich auf der Oberfläche eine Schicht aus Al2O3, und Al2O3 wird im AlN-Gitter aufgelöst, wodurch Aluminium-Leerstellen entstehen. 2.AlN hat eine starke Affinität zu Sauerstoff, wodurch es leicht in das Aluminiumnitridgitter eindringt, und der Sauerstoff im Gitter weist eine hohe Verdrängungslöslichkeit auf, wodurch leicht Sauerstoffdefekte entstehen.
Die Beziehung zwischen Defekten im AlN-Gitter und der Sauerstoffkonzentration:
Wenn [O] <0,75 % O gleichmäßig im AlN-Gitter verteilt ist, nimmt es die N-Position in AlN ein und wird von Al-Leerstellen begleitet.
Wenn sich die Position des Al-Atoms [O] ≥0,75 % ändert, wird gleichzeitig die Al-Leerstelle beseitigt und es entsteht ein oktaedrischer Defekt.
Bei höheren Konzentrationen bilden sich ausgedehnte Defekte wie sauerstoffhaltige Schichtfehler, Inversionsdomänen, Polykörper usw.
Das Vorhandensein von Sauerstoffverunreinigungen beeinträchtigt die Wärmeleitfähigkeit von AlN erheblich. Das Vorhandensein von Sauerstoffdefekten erhöht den Streuflächenquerschnitt von Phononen und verringert die Wärmeleitfähigkeit von AlN.
Daher beeinträchtigt das Vorhandensein von Sauerstoffverunreinigungen die Wärmeleitfähigkeit von AlN erheblich, was der Hauptfaktor für die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumnitridkeramik mit ihren einzigartigen umfassenden Eigenschaften, insbesondere ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante, ihrem geringen dielektrischen Verlust, ihrer hervorragenden elektrischen Isolierung und dem an Silizium angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie den Ungiftigkeitseigenschaften, zum idealen Material für moderne hochdichte Werkstoffe wird , Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-integrierte Leiterplatten und Verpackungen. Die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid-Keramiken liegt jedoch oft viel niedriger als ihr theoretischer Wert, was hauptsächlich auf das Vorhandensein von Verunreinigungen und Defekten im Material, insbesondere Sauerstoffverunreinigungen, und den Streueffekt auf den Phonon-Wärmeübertragungsprozess zurückzuführen ist.
Sauerstoffverunreinigungen dringen nicht nur leicht in das Aluminiumnitridgitter ein und bilden Sauerstoffdefekte, sondern verursachen bei höheren Konzentrationen auch komplexere Kristallstrukturänderungen, wie z. B. oktaedrische Defekte, Fehler in sauerstoffhaltigen Schichten, Inversionsdomänen usw., die die Wärmeleitfähigkeit stark verringern aus Aluminiumnitrid. Daher sind die Optimierung des Herstellungsprozesses von Al-Nitrid-Keramiken, die Reduzierung des Gehalts an Sauerstoffverunreinigungen und die Kontrolle der Bildung von Kristalldefekten der Schlüssel zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Al-Nitrid-Keramiken.
Mit Blick auf die Zukunft wird mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Materialwissenschaft und Herstellungstechnologie die Leistung von Aluminiumnitridkeramik weiter verbessert und ihre Anwendung in integrierten Hochleistungsschaltkreisen und anderen High-Tech-Bereichen zunehmen umfangreich und tiefgründig. Gleichzeitig wird die eingehende Untersuchung des Wärmeleitfähigkeitsmechanismus und der Einflussfaktoren von Aluminiumnitridkeramik auch wichtige Hinweise für die Entwicklung anderer fortschrittlicher Keramikmaterialien liefern.
