AlN은 육각형 울츠광 구조를 가지며 다른 동형체가 없는 안정적인 공유 결합 화합물입니다. 그 결정 구조는 알루미늄 원자와 인접한 질소 원자의 변환에 의해 생성된 AlN4 사면체로 구성됩니다. 공간군은 육각형 체계에 속하는 P63mc이다.
AlN 결정 구조의 개략도
AlN 세라믹의 주요 특징
(1) 높은 열 전도성, 알루미나 세라믹의 5-10배;
(2) 열팽창 계수(4.3×10-6/℃)는 반도체 실리콘 재료(3.5-4.0×10-6/℃)와 일치합니다.
(3) 좋은 기계적 성질;
(4) 매우 높은 절연 저항과 낮은 유전 손실로 우수한 전기적 성능;
(5) 다층 배선을 수행하여 패키징의 고밀도 및 소형화를 달성할 수 있습니다.
(6) 무독성이며 환경 보호에 도움이 됩니다.
AlN 세라믹 기판의 열전도도에 영향을 미치는 다양한 요인
300K에서 AlN 단결정 소재의 이론적인 열전도도는 319W/(m·K)에 달하지만, 실제 생산 공정에서는 소재의 순도로 인해 내부 결함(전위, 다공성, 불순물, 격자 뒤틀림)이 발생한다. ), 입자 방향 및 소결 공정 및 기타 요인에 따라 열전도율도 영향을 받으며 종종 이론 값보다 낮습니다.
AlN 세라믹의 열전도도에 영향을 미치는 요인
열전도율에 대한 미세구조의 영향
단결정 AlN의 열전도 메커니즘은 포논 열 전달이므로 AlN 기판 의 열전도도는 주로 결정 경계, 계면, 2차 상, 결함, 전자 및 포논 자체의 산란 제어에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 격자 고체 진동 이론에 따르면 포논 산란과 열전도도 λ 사이의 관계는 다음과 같습니다.
λ=l/3cv, 여기서 c는 열용량, v는 포논의 평균 속도, l은 포논의 평균 자유 경로입니다.
위 식으로부터 질화알루미늄의 열전도도 λ는 포논의 평균자유행로 l에 비례하고, l이 클수록 열전도도가 높은 것을 알 수 있다. 미세 구조의 관점에서 포논과 포논 사이의 상호 작용, 포논과 불순물 사이의 상호 작용 및 결정립계 결함은 산란을 유발하여 포논의 평균 자유 경로에 영향을 미치고 열전도도에 영향을 미칩니다.
AlN의 미세구조는 열전도율에 큰 영향을 미칩니다. 높은 열전도도를 갖는 질화알루미늄 기판을 얻기 위해서는 질화알루미늄 결정의 결함과 불순물의 함량을 최소화하는 것이 필요하다.
산소 불순물 함량이 열전도율에 미치는 영향
연구에 따르면 AlN은 산소와 강한 친화력을 갖고 있으며 쉽게 산화되어 표면에 알루미나 막을 형성하는 것으로 나타났습니다. Al2O3의 산소 원자의 용해로 인해 AlN의 질소 원자의 위치를 대체하여 알루미늄 공극이 발생하고 산소 결함이 형성됩니다. 구체적인 반응은 다음과 같습니다.
Al2O3→2Al+3O, 여기서 ON은 질화알루미늄 격자에서 산소 원자가 질소를 대체하는 위치이고, VAl은 알루미늄의 공극입니다.
결과적인 알루미늄 결손은 포논을 산란시켜 포논의 평균 자유 경로를 감소시키므로 AlN 기판의 열전도율도 감소합니다.
AlN 격자의 결함 유형은 산소 원자의 농도와 관련이 있는 것으로 결론지어졌습니다.
산소 농도가 0.75%보다 낮으면 산소 원자가 AlN 격자에 고르게 분산되어 AlN의 질소 원자를 대체하고 알루미늄 구멍이 형성됩니다.
산소 농도가 0.75% 이상이면 AlN 격자의 알루미늄 원자 위치가 바뀌고 알루미늄 공극이 사라져 팔면체 결함이 발생합니다.
산소 원자의 농도가 높을 때 격자는 많은 유형, 반전 도메인, 산소 함유 층 결함 및 기타 확장 결함을 생성합니다. 열역학을 출발점으로 삼아 질화알루미늄 격자의 산소 양은 알루미네이트 반응의 깁스 자유 에너지 |ΔG°|에 의해 영향을 받는 것으로 나타났습니다. |ΔG°|가 클수록 질화알루미늄 격자에 산소가 적어서 열전도율이 높아집니다.
AlN의 열전도도는 산소 불순물에 의해 심각한 영향을 받으며, 산소 불순물의 존재는 열전도도 감소의 중요한 원인임을 알 수 있습니다.
적합한 소결 첨가제는 열전도도를 향상시킵니다.
AlN의 열 속도를 향상시키기 위해 일반적으로 소결 중에 필요한 소결 보조제를 첨가하여 소결 온도를 낮추고 격자 내의 산소를 제거하여 AlN의 열전도도를 높이는 목적을 달성합니다.
현재 다성분 복합 소결 첨가제의 첨가에 더 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 실험에 따르면 복합 소결 보조제 Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 및 Y2O3-Dy2O3를 AlN에 첨가하면 산소 불순물이 적고 2차 상이 비교적 조밀한 AlN 샘플을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.
복합 시스템의 적합한 소결 첨가제는 AlN의 낮은 소결 온도를 달성하고 결정립계를 효과적으로 정화하며 높은 열전도도를 갖는 AlN을 얻을 수 있습니다.
