(Θερμική αγωγιμότητα διαφορετικών κεραμικών υποστρώσεων υλικών)
Μοναδικά πλεονεκτήματα της κεραμικής νιτριδίου αλουμινίου
Σε σύγκριση με τα κεραμικά του συνηθισμένου αλουμίνα (AL2O3), τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου (ALN) έχουν τα ακόλουθα μοναδικά πλεονεκτήματα:
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του νιτριδίου αλουμινίου είναι η εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα του.
Η θεωρητική του τιμή μπορεί να φτάσει τα 320 β/(m · k), η οποία είναι 5 έως 10 φορές αυτή της αλουμίνας. Αυτό σημαίνει ότι υπό τις ίδιες συνθήκες εργασίας, τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου μπορούν να αντέξουν σε μεγαλύτερη πυκνότητα ροής θερμότητας. Όταν χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα συσκευασίας ή περιβλήματα, τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου είναι ιδιαίτερα επωφελείς για τη διάχυση θερμότητας των τσιπ ή των μονάδων υψηλής ισχύος. Όταν γίνονται σε στοιχεία θέρμανσης μεταλλικού μεταλλικού αλουμινίου (μεταλλικός θερμαντήρας), μπορούν να επιτύχουν ταχεία θέρμανση. Όταν φτιάχνονται σε ηλεκτροστατικά τσοκ (Electro Static Chuck), μπορούν γρήγορα να προθερμάνουν ή να θερμαίνουν τις προσροφημένες πλακιδίων.
Έχει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, μόνο 4,3 ppm/k, η οποία είναι κοντά σε εκείνη των τσιπς πυριτίου (3,5 - 4,0 ppm/k). Αυτό δείχνει ότι υπάρχει ένας φυσικός αγώνας υψηλής θερμικής διαστολής μεταξύ των τσιπς πυριτίου και των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου, η οποία βελτιώνει αόρατα την αξιοπιστία της συσκευασίας.
Επιπλέον, οι μηχανικές ιδιότητες, οι ηλεκτρικές ιδιότητες και η αντίσταση στη διάβρωση των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου είναι συγκρίσιμες με εκείνες των κεραμικών αλουμίνας.
Τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου μπορούν να συνδυάσουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα, χαμηλό συντελεστή επέκτασης, υψηλή αντοχή και χημική αντοχή στη διάβρωση, καθιστώντας τους ένα ιδανικό υλικό διάχυσης θερμότητας, ειδικά για εφαρμογές σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης κλίμακας και ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής απόδοσης.
Παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου
Δεδομένου ότι τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου είναι μονωτικά στερεά, η επίδραση της μεταφοράς θερμότητας ηλεκτρονίων και φωτονίων είναι εξαιρετικά μικρή. Ο κύριος μηχανισμός αγωγιμότητας θερμότητας είναι η μεταφορά θερμότητας Phonon (δόνηση πλέγματος). Ο δεσμός Al-N σε κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου έχει σχετικά υψηλή ενέργεια δεσμού και ένα μικρό μήκος δεσμού, οπότε η ταχύτητα διάδοσης φωνών είναι γρήγορη, που είναι ο λόγος για την υψηλή θερμική αγωγιμότητά του.
Αν και θεωρητικά η θερμική αγωγιμότητα του νιτριδίου αλουμινίου μπορεί να φτάσει τα 320 β/(M · k), σήμερα μόνο μερικές εταιρείες μπορούν να κάνουν τη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου να φτάνουν τα 230 β/(M · k). Συνήθως, η θερμική αγωγιμότητα των πραγματικών προϊόντων είναι μόνο 150 - 180 β/(m · k). Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου έχουν ως εξής:
Από την πρακτική εμπειρία, οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου περιλαμβάνουν πυκνότητα πλέγματος, περιεκτικότητα σε οξυγόνο, καθαρότητα σκονών πρώτων υλών και μικροδομή.
Πυκνότητα
Τα δείγματα με χαμηλή πυκνότητα έχουν μεγάλο αριθμό πόρων, γεγονός που θα επηρεάσει τη διασπορά των φωνών και θα μειώσει τη μέση ελεύθερη διαδρομή τους, μειώνοντας έτσι τη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου. Εν τω μεταξύ, οι μηχανικές ιδιότητες των δειγμάτων χαμηλής πυκνότητας μπορεί επίσης να αποτύχουν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των σχετικών εφαρμογών.
Περιεχόμενο οξυγόνου
Επειδή το νιτρίδιο του αλουμινίου έχει ισχυρή συγγένεια για το οξυγόνο, όταν το νιτρίδιο του αλουμινίου έρχεται σε επαφή με αέρα ή νερό, η επιφάνεια του είναι εύκολα οξειδωμένη και σχηματίζει μια μεμβράνη οξειδίου του αλουμινίου, με αποτέλεσμα τις κενές θέσεις αλουμινίου και τα ελαττώματα οξυγόνου. Οι κενές θέσεις αλουμινίου και τα ελαττώματα οξυγόνου είναι εύκολο να διαχέονται στο πλέγμα ALN κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης. Μετά τις κενές θέσεις αλουμινίου και τα ελαττώματα οξυγόνου που εξαπλώθηκαν σε όλο το δίκτυο κρυσταλλικών νιτριδίων αλουμινίου, η μέση ελεύθερη διαδρομή των φωνών μειώνεται, οδηγώντας σε μείωση της θερμικής αγωγιμότητας.
Ελαττώματα πλέγματος
Η έρευνα έχει διαπιστώσει ότι οι τύποι ελαττωμάτων στο πλέγμα AIN (Ceramic) AIN (Ceramic ALITRIDE) σχετίζονται με τη συγκέντρωση ατόμων οξυγόνου. Όταν η συγκέντρωση οξυγόνου είναι χαμηλότερη από 0,75%, τα άτομα οξυγόνου κατανέμονται ομοιόμορφα στο πλέγμα ΑΙΝ (νιτριδίου αλουμινίου), αντικαθιστώντας τις θέσεις των ατόμων αζώτου στο ΑΙΝ και οι κενές θέσεις αλουμινίου τους συνοδεύουν. Όταν η συγκέντρωση οξυγόνου δεν είναι χαμηλότερη από 0,75%, οι θέσεις των ατόμων αλουμινίου στο πλέγμα AIN (κεραμικό νιτρίδιο αλουμινίου) θα αλλάξουν, οι κενές θέσεις αλουμινίου εξαφανίζονται και παράγονται οκταεδρικά ελαττώματα. Όταν η συγκέντρωση ατόμων οξυγόνου είναι ακόμη υψηλότερη, παράγονται στο πλέγμα του παράγονται ακόμη εκτεταμένα ελαττώματα όπως οι πολυτύοι, οι περιοχές αναστροφής και τα σφάλματα στοίβαξης που περιέχουν οξυγόνο.
Μέτρα για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας των κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου
Πρώτον, αυξήστε την πυκνότητα. Επιλέξτε λεπτόκοκκο, υψηλό-ενδιαφέρον-δραστικότητα μικρο-νανο-σκόνες, ναρκωτικά με βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης και χρησιμοποιήστε υψηλής ενέργειας σωματική υποβοηθούμενη πυροσυσσωμάτωση και άλλες μεθόδους για να βελτιώσετε την πυκνότητα πυροσυσσωμάτωσης των κεραμικών.
Δεύτερον, μειώστε την περιεκτικότητα σε οξυγόνο και τα εσωτερικά ελαττώματα. Επιλέξτε σκόνες πρώτων υλών υψηλής ποιότητας, χαμηλής οξυγόνου. Η αποθήκευση των σκονών πρώτων υλών και η διαμόρφωση ημι-τελειωμένων προϊόντων θα πρέπει να αποφεύγουν την επίδραση των υδρατμών. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης της ατμόσφαιρας, το περιεχόμενο οξυγόνου πρέπει να ελέγχεται αυστηρά.
