Depuis longtemps, la plupart des matériaux de substrat des circuits intégrés hybrides de haute puissance utilisent des céramiques Al2O3 et BeO, mais la conductivité thermique du substrat Al2O3 est faible et le coefficient de dilatation thermique ne correspond pas bien à celui du Si. Bien que les performances globales du BeO soient excellentes, son coût de production élevé et ses défauts hautement toxiques limitent son application et sa promotion. Par conséquent, du point de vue des facteurs de performance, de coût et de protection de l'environnement, les deux ne peuvent pas répondre aux besoins des dispositifs d'alimentation électroniques modernes et du développement.
Les céramiques de nitrure d'aluminium ont d'excellentes propriétés complètes, constituent une nouvelle génération de céramiques avancées qui ont été largement concernées ces dernières années et ont un large éventail de perspectives d'application dans de nombreux aspects, en particulier ses avantages de conductivité thermique élevée et de faible constante diélectrique. , faible perte diélectrique, excellente isolation électrique, coefficient de dilatation thermique correspondant au silicium et non-toxicité. Ce qui en fait un matériau idéal pour les cartes et boîtiers de circuits intégrés haute densité, haute puissance et haute vitesse.
Une conductivité thermique élevée est la caractéristique la plus importante du substrat en nitrure d'aluminium. Le mécanisme principal est le suivant : par vibration du réseau ou du réseau, c'est-à-dire par transfert de chaleur par onde de réseau ou par onde thermique.
Les céramiques AlN sont des matériaux céramiques isolants, pour isoler les matériaux céramiques, l'énergie thermique est transférée par vibration atomique, qui appartient à la conduction thermique des phonons, les phonons jouent un rôle important dans son processus de conduction thermique. La conductivité thermique du nitrure d'aluminium peut théoriquement atteindre 320w/ (m·k), quelle est la cause de cet écart ?
Il existe des impuretés et des défauts dans le nitrure d'aluminium, ce qui fait que la conductivité thermique du substrat en nitrure d'aluminium est loin de la valeur théorique. Les éléments d'impuretés dans la poudre de nitrure d'aluminium sont principalement de l'oxygène et du carbone, et il y a également une petite quantité d'impuretés d'ions métalliques, qui produisent diverses formes de défauts dans le réseau, et la diffusion de ces défauts sur le phonon réduira la conductivité thermique.
Alors, quels sont les facteurs qui affectent le libre parcours moyen des phonons ?
1. Dans le processus de transfert de chaleur, les défauts, les joints de grains, les trous, les électrons et les phonons eux-mêmes produiront une diffusion des phonons, réduisant ainsi le libre parcours moyen des phonons et affectant davantage la conductivité thermique.
Les impuretés oxygène et Al2O3 jouent un rôle majeur dans la diffusion des défauts de phonons.
1. Étant donné que l'AlN est facile à hydrolyser et à oxyder, une couche d'Al2O3 se forme à la surface et Al2O3 est dissous dans le réseau d'AlN pour produire des lacunes en aluminium. 2.AlN a une forte affinité avec l'oxygène, qui pénètre facilement dans le réseau de nitrure d'aluminium, et l'oxygène dans le réseau a une solubilité de déplacement élevée, ce qui permet de former facilement des défauts d'oxygène.
La relation entre les défauts du réseau AlN et la concentration en oxygène :
Lorsque [O] <0,75% O est uniformément distribué dans le réseau AlN, il occupe la position N dans AlN et est accompagné d'une lacune Al.
Lorsque la position de l'atome d'Al de [O] ≥0,75 % change, la lacune d'Al est éliminée en même temps et un défaut octaédrique se forme.
À des concentrations plus élevées, des défauts étendus se formeront, tels que des défauts de couches contenant de l'oxygène, des domaines d'inversion, des polycorps, etc.
La présence d'impuretés d'oxygène affecte sérieusement la conductivité thermique de l'AlN. La présence de défauts d'oxygène augmente la section efficace de la zone de diffusion des phonons et diminue la conductivité thermique de l'AlN.
Par conséquent, la présence d'impuretés d'oxygène affecte sérieusement la conductivité thermique de l'AlN, qui est le principal facteur de réduction de la conductivité thermique.
En résumé, la céramique de nitrure d'aluminium avec ses propriétés complètes uniques, en particulier sa conductivité thermique élevée, sa faible constante diélectrique, sa faible perte diélectrique, son excellente isolation électrique et son coefficient de dilatation thermique et ses caractéristiques de non-toxicité correspondant au silicium, deviennent le matériau idéal pour la haute densité moderne. , carte de circuit intégré et emballage haute puissance et haute vitesse. Cependant, la conductivité thermique réelle des céramiques de nitrure d'aluminium est souvent bien inférieure à sa valeur théorique, ce qui est principalement dû à la présence d'impuretés et de défauts dans le matériau, notamment d'impuretés d'oxygène, et à l'effet de diffusion sur le processus de transfert de chaleur des phonons.
Les impuretés d'oxygène pénètrent non seulement facilement dans le réseau de nitrure d'aluminium pour former des défauts d'oxygène, mais provoquent également des changements plus complexes de la structure cristalline à des concentrations plus élevées, tels que des défauts octaédriques, des défauts de couche contenant de l'oxygène, des domaines d'inversion, etc., qui réduisent considérablement la conductivité thermique. de nitrure d'aluminium. Par conséquent, l’optimisation du processus de préparation des céramiques au nitrure d’Al, la réduction de la teneur en impuretés d’oxygène et le contrôle de la formation de défauts cristallins sont la clé pour améliorer la conductivité thermique des céramiques au nitrure d’Al.
En regardant vers l'avenir, avec les progrès continus de la science des matériaux et de la technologie de préparation, les performances de la céramique de nitrure d'aluminium seront encore améliorées et son application dans les circuits intégrés de haute puissance et d'autres domaines de haute technologie sera davantage vaste et approfondi. Dans le même temps, l'étude approfondie du mécanisme de conductivité thermique et des facteurs d'influence des céramiques de nitrure d'aluminium fournira également une référence importante pour le développement d'autres matériaux céramiques avancés.
