AlN, altıgen wurtzite yapısına sahip ve başka homomorfu olmayan stabil bir kovalent bağ bileşiğidir. Kristal yapısı, alüminyum atomları ve bitişik nitrojen atomlarının dönüşümüyle üretilen AlN4 tetrahedrondan oluşur. Uzay grubu altıgen sisteme ait P63mc'dir.
AlN kristal yapısının şematik diyagramı
AlN seramiklerinin temel özellikleri
(1) Yüksek ısı iletkenliği, alümina seramiklerin 5-10 katı;
(2) Termal genleşme katsayısı (4,3×10-6/°C) yarı iletken silikon malzemeyle (3,5-4,0×10-6/°C) eşleşir;
(3) İyi mekanik özellikler;
(4) Çok yüksek izolasyon direnci ve düşük dielektrik kaybı ile mükemmel elektrik performansı;
(5) Ambalajın yüksek yoğunluğunu ve minyatürleştirilmesini sağlamak için çok katmanlı kablolama yapılabilir;
(6) Toksik değildir, çevrenin korunmasına yardımcı olur.
AlN Seramik Yüzeyin Isıl İletkenliğini Etkileyen Çeşitli Faktörler
300K'da, AlN tek kristal malzemenin teorik termal iletkenliği 319W/(m·K) kadar yüksektir, ancak gerçek üretim sürecinde malzemenin saflığı nedeniyle iç kusurlar (çıkık, gözeneklilik, safsızlıklar, kafes distorsiyonu) ortaya çıkar. ), tane oryantasyonu ve sinterleme işlemi ve diğer faktörlerden dolayı termal iletkenliği de etkilenecektir, genellikle teorik değerden daha düşüktür.
AlN seramiklerinin ısıl iletkenliğini etkileyen faktörler
Mikroyapının ısı iletkenliğine etkisi
Tek kristal AlN'nin ısı iletim mekanizması fonon ısı transferidir, bu nedenle AlN substratının termal iletkenliği esas olarak kristal sınırının, ara yüzün, ikinci fazın, kusurun, elektronun ve fononun kendisinin saçılma kontrolünden etkilenebilir. Kafes katı titreşim teorisine göre fonon saçılımı ile termal iletkenlik λ arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
λ=l/3cv, burada c ısı kapasitesidir, v fononların ortalama hızıdır ve l fononların ortalama serbest yoludur.
Yukarıdaki formülden, alüminyum nitrürün termal iletkenliğinin (λ) fononların ortalama serbest yolu (l) ile orantılı olduğu ve l ne kadar büyükse termal iletkenliğin de o kadar yüksek olduğu görülebilir. Mikroyapı açısından bakıldığında, fononlar ve fononlar arasındaki etkileşim, fononlar ve safsızlıklar arasındaki etkileşim ve tane sınırı kusurları saçılmaya neden olacak, bu da fononların ortalama serbest yolunu etkileyecek ve dolayısıyla termal iletkenliğini etkileyecektir.
AlN'nin mikro yapısının termal iletkenliği üzerinde büyük etkisi vardır. Yüksek termal iletkenliğe sahip alüminyum nitrür substratı elde etmek için alüminyum nitrür kristallerinin kusurlarını ve yabancı madde içeriğini en aza indirmek gerekir.
Oksijen safsızlık içeriğinin termal iletkenlik üzerindeki etkisi
Çalışmalar, AlN'nin oksijenle güçlü bir afiniteye sahip olduğunu ve oksitlenmesinin kolay olduğunu, bunun sonucunda yüzeyinde bir alümina filmi oluştuğunu göstermektedir. Al2O3'teki oksijen atomlarının çözünmesi nedeniyle AlN'deki nitrojen atomlarının yerini değiştirerek alüminyumda boşluk oluşmasına ve oksijen kusurunun oluşmasına neden olur. Spesifik reaksiyon aşağıdaki gibidir:
Al2O3→2Al+3O; burada ON, alüminyum nitrür kafesindeki oksijen atomlarının nitrojenin yerini aldığı konumdur ve VAL, alüminyumun boşluğudur.
Ortaya çıkan alüminyum boşluğu fononları dağıtır, fononların ortalama serbest yolunda bir azalmaya neden olur, böylece AlN substratının termal iletkenliği de azalır.
AlN kafesindeki kusur türlerinin oksijen atomlarının konsantrasyonuyla ilgili olduğu sonucuna varılmıştır.
Oksijen konsantrasyonu %0,75'ten düşük olduğunda, oksijen atomları AlN kafesinde eşit şekilde dağılır, AlN'deki nitrojen atomlarının yerini alır ve alüminyum delikler oluşur.
Oksijen konsantrasyonu %0,75'ten az olmadığında, AlN kafesindeki alüminyum atomlarının konumu değişecek ve alüminyum boşluğu ortadan kalkacak ve bu da oktahedral kusurlara neden olacaktır.
Oksijen atomlarının konsantrasyonu daha yüksek olduğunda, kafes birçok türde, ters etki alanları, oksijen içeren katman hataları ve diğer uzatma kusurları üretecektir. Termodinamiği başlangıç noktası olarak alarak, alüminyum nitrür kafesindeki oksijen miktarının, alüminat reaksiyonunun Gibbs serbest enerjisinden |ΔG°| etkilendiği bulunmuştur. |ΔG°| ne kadar büyük olursa, alüminyum nitrür kafesindeki oksijen o kadar az olur ve dolayısıyla termal iletkenlik de o kadar yüksek olur.
AlN'nin ısıl iletkenliğinin oksijen safsızlıklarından ciddi şekilde etkilendiği ve oksijen safsızlıklarının varlığının ısıl iletkenliğinin azalmasının önemli bir nedeni olduğu görülebilir.
Uygun Sinterleme Katkı Maddeleri Isı İletkenliğini Artırmayı Sağlar
AlN'nin termal oranını arttırmak için, sinterleme sıcaklığını azaltmak ve kafes içindeki oksijeni uzaklaştırmak için genellikle sinterleme sırasında gerekli sinterleme yardımcısı eklenir, böylece AlN'nin termal iletkenliğini arttırma amacına ulaşılır.
Şu anda çok bileşenli kompozit sinterleme katkı maddelerinin eklenmesine daha fazla önem verilmektedir. Deneyler, AlN'ye kompozit sinterleme AIDS Y2O3-Li2O, Y2O3-CaC2, Y2O3-CaF2 ve Y2O3-Dy2O3 eklendiğinde, daha az oksijen safsızlığı ve ikinci faza sahip nispeten yoğun AlN örneklerinin elde edilebileceğini bulmuştur.
Kompozit sistemin uygun sinterleme katkı maddeleri, AlN'nin düşük sinterleme sıcaklığına ulaşabilir ve tane sınırını etkili bir şekilde temizleyebilir ve yüksek termal iletkenliğe sahip AlN elde edebilir.
