오랫동안 고출력 하이브리드 집적 회로의 기판 재료 대부분은 Al2O3 및 BeO 세라믹을 사용해 왔지만 Al2O3 기판의 열전도율이 낮고 열팽창 계수가 Si와 잘 일치하지 않습니다. BeO의 종합적인 성능은 우수하지만 높은 생산 비용과 독성이 강한 단점으로 인해 적용 및 홍보가 제한됩니다. 따라서 성능, 비용 및 환경 보호 요소로 볼 때 이 두 가지 요소는 현대 전자 전력 장치 및 개발 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
질화알루미늄 세라믹은 우수한 종합 특성을 갖고 있으며 최근 몇 년 동안 널리 관심을 받고 있는 차세대 첨단 세라믹이며, 특히 높은 열 전도성, 낮은 유전 상수 등 여러 측면에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다. , 낮은 유전 손실, 우수한 전기 절연성, 실리콘과 일치하는 열팽창 계수 및 무독성. 고밀도, 고전력, 고속 집적 회로 기판 및 패키지에 이상적인 소재입니다.
높은 열전도율은 질화알루미늄 기판의 가장 큰 특징입니다. 주요 메커니즘은 격자 또는 격자 진동을 통해, 즉 격자파 또는 열파 열 전달을 통해 이루어집니다.
AlN 세라믹은 절연 세라믹 재료이며, 절연 세라믹 재료의 경우 열에너지는 포논 열전도에 속하는 원자 진동에 의해 전달되며 포논은 열전도 과정에서 중요한 역할을 합니다. 질화알루미늄의 열전도율은 이론적으로 320w/(m·k)에 달하는데, 이러한 차이가 발생하는 이유는 무엇입니까?
질화알루미늄에는 불순물과 결함이 있어 질화알루미늄 기판의 열전도율이 이론값과 크게 다릅니다. 질화알루미늄 분말의 불순물 원소는 주로 산소와 탄소이며, 금속 이온 불순물도 소량 존재하여 격자에 다양한 결함 형태를 생성하며, 이러한 결함이 포논에 산란되면 열전도율이 저하됩니다.
그렇다면 포논의 평균자유경로에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?
1. 열 전달 과정에서 결함, 입자 경계, 정공, 전자 및 포논 자체가 포논 산란을 생성하여 포논의 평균 자유 경로를 감소시키고 열전도도에 더욱 영향을 미칩니다.
불순 산소와 Al2O3는 포논 결함 산란에 중요한 역할을 합니다.
1. AlN은 가수분해 및 산화가 쉽기 때문에 표면에 Al2O3 층이 형성되고 Al2O3는 AlN 격자에 용해되어 알루미늄 공극을 생성합니다. 2.AlN은 산소와의 친화력이 강하여 질화알루미늄 격자에 들어가기 쉽고, 격자 내의 산소는 치환 용해도가 높아 산소결함을 형성하기 쉽다.
AlN 격자 결함과 산소 농도의 관계:
[O]<0.75% O가 AlN 격자에 균일하게 분포하는 경우 AlN에서 N 위치를 차지하고 Al 공극을 동반합니다.
[O] ≥0.75% Al 원자 위치가 변하면 Al vacancy가 동시에 없어지고 팔면체 결함이 형성된다.
더 높은 농도에서는 산소 함유 층 결함, 반전 도메인, 폴리바디 등과 같은 확장된 결함이 형성됩니다.
산소 불순물의 존재는 AlN의 열전도도에 심각한 영향을 미칩니다. 산소 결함의 존재는 포논의 산란 단면적을 증가시키고 AlN의 열전도도를 감소시킵니다.
따라서 산소 불순물의 존재는 AlN의 열전도도에 심각한 영향을 미치며 이는 열전도도 감소의 주요 요인이 된다.
요약하면, 고유한 종합 특성, 특히 높은 열 전도성, 낮은 유전 상수, 낮은 유전 손실, 우수한 전기 절연성 및 열팽창 계수 및 무독성 특성과 일치하는 실리콘을 갖춘 질화알루미늄 세라믹은 현대 고밀도에 이상적인 재료가 됩니다. , 고전력 및 고속 집적 회로 기판 및 포장. 그러나 질화알루미늄 세라믹의 실제 열전도율은 이론적인 값보다 훨씬 낮은 경우가 많습니다. 이는 주로 재료의 불순물 및 결함, 특히 산소 불순물의 존재, 포논 열 전달 과정에 대한 산란 효과로 인해 발생합니다.
산소 불순물은 질화알루미늄 격자에 쉽게 들어가 산소 결함을 형성할 뿐만 아니라 고농도에서 팔면체 결함, 산소 함유층 결함, 반전 도메인 등과 같이 더 복잡한 결정 구조 변화를 일으켜 열전도도를 크게 감소시킵니다. 질화알루미늄. 따라서 질화알루미늄 세라믹의 제조공정을 최적화하고, 산소불순물 함량을 감소시키며, 결정결함 형성을 제어하는 것이 질화알루미늄 세라믹의 열전도도를 향상시키는 열쇠이다.
미래를 기대하며 재료 과학 및 제조 기술의 지속적인 발전으로 질화알루미늄 세라믹의 성능이 더욱 향상될 것이며 고출력 집적 회로 기판 및 기타 첨단 기술 분야에서의 응용이 더욱 확대될 것입니다. 광범위하고 심층적입니다. 동시에, 질화알루미늄 세라믹의 열전도 메커니즘과 영향 요인에 대한 심층적인 연구는 다른 첨단 세라믹 재료 개발에 중요한 참고 자료가 될 것입니다.
