Seit Jahrzehnten haben hybride integrierte Hochleistungsschaltungen die Keramik von Alumina (Alumina) und Beo (Beryllia) als Substratmaterial vorwiegend verwendet. Alationen leidet jedoch unter einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit (24–30 W/(M · K)) und einem mit Silizium nicht übereinstimmenden thermischen Expansionskoeffizienten (CTE), während BEO trotz seiner überlegenen umfassenden Leistung aufgrund der hohen Produktionskosten und der Toxizität jedoch Einschränkungen ausgesetzt ist. Infolgedessen erfüllt keines der sich entwickelnden Anforderungen moderner elektronischer Hochleistungsgeräte in Bezug auf Leistung, Kosten und ökologische Nachhaltigkeit.
Aluminiumnitrid-Keramik (ALN) mit ihren außergewöhnlichen Eigenschaften haben sich als fortschrittliches Keramikmaterial der nächsten Generation herausgestellt. Ihre hohe thermische Leitfähigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante, niedriger dielektrischer Verlust, ausgezeichnete elektrische Isolierung, CTE mit Siliziumanpassungen und Nicht-Toxizität machen sie ideal für Substrate und Verpackungen mit hoher Leistung und Hochgeschwindigkeitsschaltkreis. Unter diesen Eigenschaften fällt die hohe thermische Leitfähigkeit als das kritischste Merkmal von ALN aus. Theoretisch kann die thermische Leitfähigkeit von ALN 320 W/(M · k) erreichen, die durch einen Phonon-vermittelten Wärmeübertragung bestimmt wird-ein Prozess, der durch Gittervibrationen (Phononen) angetrieben wird, die sich durch die Kristallstruktur ausbreiten.
Die Kristallstrukturbilder von Aluminiumnitrid (ALN)
Herausforderungen bei der Erreichung der theoretischen thermischen Leitfähigkeit
Als isolierende Keramik erfolgt die Wärmeübertragung in ALN über Atomgittervibrationen (Phononleitung), bei denen Phononen als Hauptträger der Wärmeenergie fungieren. Die praktische thermische Leitfähigkeit von ALN -Produkten liegt jedoch weit hinter dem theoretischen Wert aufgrund von Verunreinigungen und Kristalldefekten, die die Phononenverbreitung stören.
1. Sauerstoffverunreinigungen: der dominierende Faktor
Aln -Pulver enthält typischerweise Verunreinigungselemente wie Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Spurenmetallionen. Insbesondere Sauerstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Abbau der thermischen Leitfähigkeit. Zu den wichtigsten Mechanismen gehören:
Oberflächenoxidation: ALN ist anfällig für Hydrolyse und Oxidation und bildet eine allo₃ -Schicht auf der Oberfläche. Dieses Alto₃ löst sich in das Aln -Gitter auf und erzeugt Aluminiumlöschen (V <sub> Al </sub>).
Der Einbau von Sauerstoff in das Gitter: Die starke Affinität von Sauerstoff für ALN ermöglicht es ihm, Stickstoff (N) Stellen innerhalb des Gitters leicht zu ersetzen. Bei Sauerstoffkonzentrationen [O] <0,75%belegen Sauerstoffatome gleichmäßig N -Stellen, begleitet von Aluminiumlöschen. Bei [O] ≥ 0,75%löst Sauerstoff strukturelle Verzerrungen aus, verändert die Belegung der Aluminiumstelle und bildet oktaedrische Defekte. Höhere Sauerstoffkonzentrationen induzieren erweiterte Defekte, einschließlich sauerstoffreicher Stapelfehler, Inversionsdomänen und polytypischen Transformationen.
Diese sauerstoffbedingten Defekte erhöhen die Phononstreuungsquerschnitte drastisch und verkürzen den mittleren freien Pfad der Phonon (MFP)-ein kritischer Parameter zur thermischen Leitfähigkeit. Die thermische Leitfähigkeit (κ) eines Materials wird ausgedrückt als:
Die Beziehung zwischen der thermischen Leitfähigkeit von Aluminiumnitrid (ALN) und Temperatur 2. Andere Defektmechanismen
Korngrenzen: Polykristalline Aln enthält Korngrenzen, die Phononen verstreuen und MFP weiter reduzieren.
Hohlräume und Porosität: Restporen vom Sintern wirken als Phononstreuungszentren.
Sekundäre Phasen: Verunreinigungen wie Carbide oder metallische Reste bilden sekundäre Phasen und stören die Gitterkontinuität.
Strategien zur Minderung
Um Alns theoretische thermische Leitfähigkeit zu nähern, konzentrieren sich fortschrittliche Synthese -Techniken auf:
Hohe Purity-Rohstoffe: Sauerstoff (<100 ppm) und metallische Verunreinigungen während der Pulversynthese minimieren.
Kontrolliertes Sintern: Verwenden von Additiven wie y₂o₃ zur Unterdrückung von Sauerstoffeinbau und Förderung der Verdichtung.
Defekt -Engineering: Anpassung der Korngröße und -orientierung zur Minimierung der Korngrenzstreuung.
Während Alns theoretische thermische Leitfähigkeit von 320 W/(M · k) in kommerziellen Produkten schwer fassbar bleibt, verengen diese Lücke anhaltende Fortschritte bei der materiellen Reinigung, der Defektkontrolle und der Prozessoptimierung. Die Überwindung von Sauerstoff-bezogenen Defekten bleibt der Eckpfeiler, um das volle Potenzial von ALN in der Hochleistungselektronik freizuschalten, wo das thermische Management von größter Bedeutung ist.
