影响氮化铝陶瓷基板的热导率的因素有哪些

发布时间:2021-09-27 09:15:32

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AlN陶瓷概况


AlN是一种结构稳定且具有六方纤锌矿结构,无其他同质异型物存在的共价键型化合物。它的晶体结构是由铝原子和临近的氮原子歧变产生的AlN4四面体为结构单元;空间群为P63mc,属于六方晶系。


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AlN 晶体结构示意图


AlN陶瓷的主要特点:

(1)热导率高,是氧化铝陶瓷的5-10倍;

(2)热膨胀系数(4.3×10-6/℃)与半导体硅材料(3.5-4.0×10-6/℃)匹配; 

(3)机械性能好; 

(4)电性能优良,具有极高的绝缘电阻和低的介质损耗; 

(5)可以进行多层布线,实现封装的高密度和小型化; 

(6)无毒,有利于环保。 



影响AlN陶瓷热导率的各种因素

在300K下,AlN单晶材料理论热导率高达319W/(m·K),但是在实际生产过程中,由于材料的纯度、内部缺陷(位错、气孔、杂质、点阵畸变)、晶粒取向和烧结工艺等各种因素的影响,其热导率也会受影响,常常低于理论值。


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微观结构对热导率的影响

单晶AlN的热传导机理是声子传热,所以AlN的导热性能可能主要受晶体中的晶界、界面、第二相、缺陷、电子及声子本身对其散射控制的影响。由晶格固体振动论可知,声子散射与热导率λ的关系式为: 

λ=l/3cv

式中c为热容,v为声子平均速度,l为声子平均自由程。从上式可知,氮化铝的热导率λ与声子的平均自由程l成正比,l越大,热导率越高。从微观结构来看,声子与声子之间的相互作用、声子与杂质、晶界缺陷的相互作用,均会引发散射,会对声子的平均自由程产生影响,从而影响其热导率。


总结:

AlN的微观结构对其热导率影响较大,若想获得高热导率的氮化铝陶瓷,尽量要使氮化铝晶体缺陷少,杂质含量少。


氧杂质含量对热导率的影响

研究表明:AlN和氧的亲和力很强,易氧化,导致其表面易生成氧化铝膜,由于Al2O3中氧原子的溶入,取代了AlN中的氮原子的位置,产生了铝空位,形成了氧缺陷,具体反应如下: 

Al2O3→2AlAl+3ON+VAl

式中ON为氧原子取代氮化铝晶格中的氮的位置,VAl为铝空位。形成的铝空位散射声子,导致声子的平均自由程降低,所以AlN基板的热导率也会降低。

研究得出结论:AlN晶格中的缺陷种类和氧原子浓度有关。

●当氧浓度低于 0.75%时,氧原子均匀散布在AlN晶格中,取代着AlN中氮原子的位置,铝空穴伴随而生;

●当氧浓度不低于 0.75%时,AlN晶格中的铝原子的位置会发生变化,铝空位消失,产生八面体缺陷;

★当氧原子浓度更高时,其晶格产生多型体、反演畴、含氧层错等延展缺陷。以热力学为切入点,研究发现氮化铝晶格中氧的量受铝酸盐反应吉布斯自由能|ΔG°|的影响,|ΔG°|越大,氮化铝晶格中的氧越少,因而就会有更高的热导率。


总结:

由此可见AlN的热导率受氧杂质的影响较为严重,氧杂质的存在是其热导率降低的重要原因。


合适的烧结助剂可实现提高热导率

为了提高AlN热率,通常会选择在烧结时加入所需的助烧剂以达到降低烧结温度、去除晶格中的氧进而实现提高 AlN 热导率的目的

目前关注较多的是多元复合烧结助剂的添加,经实验发现,在AlN中增加复合助烧剂Y2O3-Li2O、Y2O3-CaC2、Y2O3-CaF2、Y2O3-Dy2O3时,可以获得较为致密、氧杂质及第二相均较少的AlN样品。


总结:

选择合适的复合体系的烧结助剂可以实现AlN较低的烧结温度和有效净化晶界,获得具有较高热导率的AlN




参考来源:

1.大功率LED用高热导率氮化铝陶瓷基座的制备与封装研究-李宏伟

2.功率电子器件封装用氮化铝陶瓷基板覆铜的研究-陈科成






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