Uzun bir süredir, yüksek güçlü hibrit entegre devrelerin altlık malzemelerinin çoğunda Al2O3 ve BeO seramikleri kullanılıyor, ancak Al2O3 alt katmanının termal iletkenliği düşük ve termal genleşme katsayısı Si ile pek uyumlu değil. BeO'nun kapsamlı performansı mükemmel olmasına rağmen, yüksek üretim maliyeti ve son derece toksik eksiklikleri, uygulanmasını ve tanıtımını sınırlamaktadır. Bu nedenle performans, maliyet ve çevre koruma faktörleri nedeniyle ikisi de modern elektronik güç cihazlarının ve geliştirme ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır.
Alüminyum nitrür seramikleri mükemmel kapsamlı özelliklere sahiptir, son yıllarda geniş çapta ilgi duyulan yeni nesil gelişmiş seramiklerdir ve birçok açıdan geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir, özellikle yüksek termal iletkenlik, düşük dielektrik sabiti avantajları , düşük dielektrik kaybı, mükemmel elektrik yalıtımı, silikonla eşleşen termal genleşme katsayısı ve toksik olmaması. Bu onu yüksek yoğunluklu, yüksek güçlü ve yüksek hızlı entegre devre kartları ve paketleri için ideal bir malzeme haline getiriyor.
Yüksek termal iletkenlik, alüminyum nitrür substratın en önemli özelliğidir. Ana mekanizma şudur: kafes veya kafes titreşimi, yani kafes dalgası veya termal dalga ısı transferi yoluyla.
AlN seramikleri yalıtkan seramik malzemelerdir, seramik malzemeleri yalıtmak için, ısı enerjisi fonon ısı iletimine ait olan atomik titreşim ile aktarılır, fononlar ısı iletimi sürecinde önemli bir rol oynar. Alüminyum nitrürün termal iletkenliği teorik olarak 320w/ (m·k) değerine ulaşabilir, bu boşluğa ne sebep olur?
Alüminyum nitrürde safsızlıklar ve kusurlar vardır, bu da alüminyum nitrür substratının termal iletkenliğinin teorik değerden uzak olmasına neden olur. Alüminyum nitrür tozundaki safsızlık elemanları esas olarak oksijen ve karbon olup, kafeste çeşitli kusur formları oluşturan az miktarda metal iyonu yabancı maddeleri de vardır ve bu kusurların fonon üzerine saçılması termal iletkenliği azaltacaktır.
Peki fononların ortalama serbest yolunu etkileyen faktörler nelerdir?
1. Isı transferi sürecinde kusurlar, tanecik sınırları, delikler, elektronlar ve fononlar fonon saçılımına neden olacak, böylece fononların ortalama serbest yolu azalacak ve termal iletkenlik daha da etkilenecektir.
Saf olmayan oksijen ve Al2O3, fonon kusuru saçılımında önemli bir rol oynar.
1. AlN'nin hidrolizi ve oksidasyonu kolay olduğundan yüzeyde bir Al2O3 tabakası oluşur ve alüminyum boşlukları oluşturmak için Al2O3, AlN kafesinde çözülür. 2.AlN, alüminyum nitrür kafesine girmesi kolay olan oksijen ile güçlü bir afiniteye sahiptir ve kafes içindeki oksijen, oksijen kusurları oluşturması kolay olan yüksek bir yer değiştirme çözünürlüğüne sahiptir.
AlN kafesindeki kusurlar ile oksijen konsantrasyonu arasındaki ilişki:
[O] <%0,75 O, AlN kafesinde eşit şekilde dağıtıldığında, AlN'de N konumunu işgal eder ve buna Al boşluğu eşlik eder.
[O] ≥%0,75 Al atomu konumu değiştiğinde, Al boşluğu aynı anda ortadan kaldırılır ve bir oktahedral kusur oluşur.
Daha yüksek konsantrasyonlarda, oksijen içeren katman hataları, ters çevrilme alanları, policisimler vb. gibi genişlemiş kusurlar oluşacaktır.
Oksijen yabancı maddelerinin varlığı AlN'nin termal iletkenliğini ciddi şekilde etkiler. Oksijen kusurlarının varlığı, fononların saçılma alanı kesitini arttırır ve AlN'nin termal iletkenliğini azaltır.
Bu nedenle, oksijen safsızlıklarının varlığı AlN'nin termal iletkenliğini ciddi şekilde etkiler, bu da termal iletkenliğin azalmasında ana faktördür.
Özetle, benzersiz kapsamlı özellikleri, özellikle yüksek ısı iletkenliği, düşük dielektrik sabiti, düşük dielektrik kaybı, mükemmel elektrik yalıtımı ve silikonla eşleşen termal genleşme katsayısı ve toksik olmama özellikleri ile alüminyum nitrür seramikleri, modern yüksek yoğunluklu için ideal malzeme haline gelir. , yüksek güçlü ve yüksek hızlı entegre devre kartı ve paketleme. Bununla birlikte, alüminyum nitrür seramiklerinin gerçek termal iletkenliği genellikle teorik değerinden çok daha düşüktür; bunun nedeni, esas olarak malzemedeki yabancı maddelerin ve kusurların varlığı, özellikle oksijen safsızlıkları ve fonon ısı transfer süreci üzerindeki saçılma etkisidir.
Oksijen safsızlıkları yalnızca alüminyum nitrür kafesine kolayca girerek oksijen kusurları oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda daha yüksek konsantrasyonlarda oktahedral kusurlar, oksijen içeren katman hataları, ters çevrilme alanları vb. gibi termal iletkenliği büyük ölçüde azaltan daha karmaşık kristal yapı değişikliklerine de neden olur. alüminyum nitrürden oluşur. Bu nedenle, Al nitrür seramiklerinin hazırlanma prosesinin optimize edilmesi, oksijen safsızlıklarının içeriğinin azaltılması ve kristal kusurlarının oluşumunun kontrol edilmesi, Al nitrür seramiklerinin termal iletkenliğini iyileştirmenin anahtarıdır.
Geleceğe baktığımızda, malzeme bilimi ve hazırlama teknolojisinin sürekli ilerlemesi ile alüminyum nitrür seramiklerin performansı daha da geliştirilecek ve yüksek güçlü entegre devre kartları ve diğer yüksek teknoloji alanlarındaki uygulamaları daha da artacaktır. kapsamlı ve derinlemesine. Aynı zamanda alüminyum nitrür seramiklerin ısıl iletkenlik mekanizması ve etkileyen faktörler üzerine yapılacak derinlemesine çalışma, diğer ileri seramik malzemelerin geliştirilmesi için de önemli bir referans sağlayacaktır.
