影響氮化鋁陶瓷基板的熱導(dǎo)率的因素有哪些？

氮化鋁陶瓷基板

AlN是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，無其他同質(zhì)異型物存在的共價(jià)鍵型化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)是由鋁原子和臨近的氮原子歧變產(chǎn)生的AlN4四面體為結(jié)構(gòu)單元；空間群為P6₃mc，屬于六方晶系。

AlN 晶體結(jié)構(gòu)示意圖

AlN陶瓷的主要特點(diǎn)：

(1)熱導(dǎo)率高,是氧化鋁陶瓷的5-10倍;

(2)熱膨脹系數(shù)(4.3×10^-6/℃)與半導(dǎo)體硅材料(3.5-4.0×10^-6/℃)匹配;

(3)機(jī)械性能好;

(4)電性能優(yōu)良,具有極高的絕緣電阻和低的介質(zhì)損耗;

(5)可以進(jìn)行多層布線,實(shí)現(xiàn)封裝的高密度和小型化;

(6)無毒,有利于環(huán)保。

影響AlN陶瓷熱導(dǎo)率的各種因素

在300K下，AlN單晶材料理論熱導(dǎo)率高達(dá)319W/(m·K)，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于材料的純度、內(nèi)部缺陷（位錯、氣孔、雜質(zhì)、點(diǎn)陣畸變）、晶粒取向和燒結(jié)工藝等各種因素的影響，其熱導(dǎo)率也會受影響，常常低于理論值。

影響 AlN 陶瓷熱導(dǎo)率的各種因素

微觀結(jié)構(gòu)對熱導(dǎo)率的影響

單晶AlN的熱傳導(dǎo)機(jī)理是聲子傳熱，所以AlN的導(dǎo)熱性能可能主要受晶體中的晶界、界面、第二相、缺陷、電子及聲子本身對其散射控制的影響。由晶格固體振動論可知，聲子散射與熱導(dǎo)率λ的關(guān)系式為：

λ=l/3cv

式中c為熱容，v為聲子平均速度，l為聲子平均自由程。從上式可知，氮化鋁的熱導(dǎo)率λ與聲子的平均自由程l成正比，l越大，熱導(dǎo)率越高。從微觀結(jié)構(gòu)來看，聲子與聲子之間的相互作用、聲子與雜質(zhì)、晶界缺陷的相互作用，均會引發(fā)散射，會對聲子的平均自由程產(chǎn)生影響，從而影響其熱導(dǎo)率。

總結(jié)：

AlN的微觀結(jié)構(gòu)對其熱導(dǎo)率影響較大，若想獲得高熱導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷，盡量要使氮化鋁晶體缺陷少，雜質(zhì)含量少。

氧雜質(zhì)含量對熱導(dǎo)率的影響

研究表明：AlN和氧的親和力很強(qiáng)，易氧化，導(dǎo)致其表面易生成氧化鋁膜，由于Al₂O₃中氧原子的溶入，取代了AlN中的氮原子的位置，產(chǎn)生了鋁空位，形成了氧缺陷，具體反應(yīng)如下：

鋁₂O₃→2_鋁+3O_前往

式中O_N為氧原子取代氮化鋁晶格中的氮的位置，V_Al為鋁空位。形成的鋁空位散射聲子，導(dǎo)致聲子的平均自由程降低，所以AlN基板的熱導(dǎo)率也會降低。

研究得出結(jié)論：AlN晶格中的缺陷種類和氧原子濃度有關(guān)。

●當(dāng)氧濃度低于 0.75%時(shí)，氧原子均勻散布在AlN晶格中，取代著AlN中氮原子的位置，鋁空穴伴隨而生；

●當(dāng)氧濃度不低于 0.75%時(shí)，AlN晶格中的鋁原子的位置會發(fā)生變化，鋁空位消失，產(chǎn)生八面體缺陷；

★當(dāng)氧原子濃度更高時(shí)，其晶格產(chǎn)生多型體、反演疇、含氧層錯等延展缺陷。以熱力學(xué)為切入點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)氮化鋁晶格中氧的量受鋁酸鹽反應(yīng)吉布斯自由能|ΔG°|的影響，|ΔG°|越大，氮化鋁晶格中的氧越少，因而就會有更高的熱導(dǎo)率。

總結(jié)：

由此可見AlN的熱導(dǎo)率受氧雜質(zhì)的影響較為嚴(yán)重，氧雜質(zhì)的存在是其熱導(dǎo)率降低的重要原因。

合適的燒結(jié)助劑可實(shí)現(xiàn)提高熱導(dǎo)率

為了提高AlN熱率，通常會選擇在燒結(jié)時(shí)加入所需的助燒劑以達(dá)到降低燒結(jié)溫度、去除晶格中的氧進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高 AlN 熱導(dǎo)率的目的。

目前關(guān)注較多的是多元復(fù)合燒結(jié)助劑的添加，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在AlN中增加復(fù)合助燒劑Y₂O₃-Li₂O、Y₂O₃-CaC₂、Y₂O₃-CaF₂、Y₂O₃-Dy₂O₃時(shí)，可以獲得較為致密、氧雜質(zhì)及第二相均較少的AlN樣品。

總結(jié)：

選擇合適的復(fù)合體系的燒結(jié)助劑可以實(shí)現(xiàn)AlN較低的燒結(jié)溫度和有效凈化晶界，獲得具有較高熱導(dǎo)率的AlN。

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