AlN est un composé de liaison covalente stable avec une structure hexagonale de wurtzite et aucun autre homomorphe. Sa structure cristalline est composée du tétraèdre AlN4 produit par la conversion d'atomes d'aluminium et d'atomes d'azote adjacents. Le groupe spatial est P63mc, appartenant au système hexagonal.
diagramme schématique de la structure cristalline d'AlN
Les principales caractéristiques des céramiques AlN
(1) Conductivité thermique élevée, 5 à 10 fois supérieure à celle de la céramique d'alumine ;
(2) Le coefficient de dilatation thermique (4,3 × 10-6/℃) correspond au matériau semi-conducteur en silicium (3,5-4,0 × 10-6/℃) ;
(3) Bonnes propriétés mécaniques ;
(4) Excellentes performances électriques, avec une résistance d’isolation très élevée et une faible perte diélectrique ;
(5) Un câblage multicouche peut être réalisé pour obtenir une haute densité et une miniaturisation de l’emballage ;
(6) Non toxique, propice à la protection de l'environnement.
Divers facteurs affectant la conductivité thermique du substrat céramique AlN
À 300 K, la conductivité thermique théorique du matériau monocristallin AlN atteint 319 W/(m·K), mais dans le processus de production réel, en raison de la pureté du matériau, des défauts internes (dislocation, porosité, impuretés, distorsion du réseau) ), l'orientation des grains et le processus de frittage et d'autres facteurs, sa conductivité thermique sera également affectée, souvent inférieure à la valeur théorique.
facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques AlN
Effet de la microstructure sur la conductivité thermique
Le mécanisme de conduction thermique de l'AlN monocristallin est le transfert de chaleur par phonons, de sorte que la conductivité thermique du substrat d'AlN peut être principalement affectée par le contrôle de diffusion de la limite cristalline, de l'interface, de la deuxième phase, du défaut, de l'électron et du phonon lui-même. Selon la théorie des vibrations solides sur réseau, la relation entre la diffusion des phonons et la conductivité thermique λ est la suivante :
λ = l/3cv, où c est la capacité thermique, v est la vitesse moyenne des phonons et l est le libre parcours moyen des phonons.
D'après la formule ci-dessus, on peut voir que la conductivité thermique λ du nitrure d'aluminium est proportionnelle au libre parcours moyen l des phonons, et plus l est grand, plus la conductivité thermique est élevée. Du point de vue de la microstructure, l'interaction entre phonons et phonons, l'interaction entre phonons et impuretés et les défauts aux joints de grains provoqueront une diffusion, qui affectera le libre parcours moyen des phonons, et donc sa conductivité thermique.
La microstructure de l'AlN a une grande influence sur sa conductivité thermique. Afin d'obtenir un substrat en nitrure d'aluminium à haute conductivité thermique, il est nécessaire de minimiser les défauts des cristaux de nitrure d'aluminium et la teneur en impuretés.
Effet de la teneur en impuretés d'oxygène sur la conductivité thermique
Des études montrent que l'AlN a une forte affinité avec l'oxygène et est facile à oxyder, ce qui entraîne la formation d'un film d'alumine à sa surface. En raison de la dissolution des atomes d'oxygène dans Al2O3, il remplace la position des atomes d'azote dans AlN, entraînant une lacune en aluminium et formant un défaut d'oxygène. La réaction spécifique est la suivante :
Al2O3 → 2Al + 3O, où ON est la position où les atomes d'oxygène remplacent l'azote dans le réseau de nitrure d'aluminium, et VAl est la lacune de l'aluminium.
La lacune en aluminium qui en résulte disperse les phonons, ce qui entraîne une diminution du libre parcours moyen des phonons, de sorte que la conductivité thermique du substrat AlN diminue également.
On conclut que les types de défauts dans le réseau AlN sont liés à la concentration d’atomes d’oxygène.
Lorsque la concentration en oxygène est inférieure à 0,75 %, les atomes d'oxygène sont uniformément dispersés dans le réseau AlN, remplaçant les atomes d'azote dans l'AlN, et des trous d'aluminium se forment.
Lorsque la concentration en oxygène n'est pas inférieure à 0,75 %, la position des atomes d'aluminium dans le réseau AlN changera et les lacunes en aluminium disparaîtront, entraînant des défauts octaédriques.
Lorsque la concentration d'atomes d'oxygène est plus élevée, le réseau produira de nombreux types, domaines d'inversion, défauts de couche contenant de l'oxygène et autres défauts d'extension. En prenant la thermodynamique comme point de départ, on constate que la quantité d'oxygène dans le réseau de nitrure d'aluminium est affectée par l'énergie libre de Gibbs de la réaction d'aluminate |ΔG°|. Plus le |ΔG°| est grand, moins il y a d'oxygène dans le réseau de nitrure d'aluminium, et donc plus la conductivité thermique est élevée.
On peut voir que la conductivité thermique de l'AlN est sérieusement affectée par les impuretés d'oxygène, et l'existence d'impuretés d'oxygène est une raison importante de la diminution de sa conductivité thermique.
Des additifs de frittage appropriés garantissent une amélioration de la conductivité thermique
Afin d'améliorer le taux thermique de l'AlN, l'auxiliaire de frittage requis est généralement ajouté pendant le frittage pour réduire la température de frittage et éliminer l'oxygène dans le réseau, atteignant ainsi l'objectif d'augmenter la conductivité thermique de l'AlN.
À l’heure actuelle, une plus grande attention est accordée à l’ajout d’additifs de frittage composites multi-composants. Des expériences ont montré que lors de l'ajout d'agents de frittage composites Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 et Y2O3-Dy2O3 à AlN, des échantillons d'AlN relativement denses avec moins d'impuretés d'oxygène et une seconde phase peuvent être obtenus.
Les additifs de frittage appropriés du système composite peuvent atteindre une faible température de frittage d'AlN et purifier efficacement la limite de grain, et obtenir de l'AlN avec une conductivité thermique élevée.
