Facteurs affectant la conductivité thermique des substrats céramiques de nitrure d'aluminium

En tant que nouveau type de matériau d'emballage pour appareils électroniques, la céramique AlN présente une conductivité thermique et une résistance élevées, un faible coefficient de dilatation thermique et de perte diélectrique, une résistance à haute température et à la corrosion chimique, une bonne isolation et une protection de l'environnement non toxique. C'est donc l'un des matériaux céramiques les plus prometteurs selon le consensus national et international.

Le substrat céramique en nitrure d'aluminium, un matériau idéal pour le conditionnement de puces de haute puissance, à haute teneur en plomb et de grande taille, sur lequel l'industrie s'est concentrée sur la conductivité thermique. La conductivité thermique actuelle du substrat commercial AlN par rapport à sa conductivité thermique théorique reste encore un écart important. Par conséquent, l’amélioration d’une conductivité thermique plus élevée du substrat céramique AlN tout en réduisant la température de frittage de la céramique AlN revêt une grande importance pour le développement rapide de dispositifs électroniques.

Afin de préparer des substrats en nitrure d'aluminium ayant une conductivité thermique plus élevée, il est nécessaire d'étudier les facteurs qui affectent la conductivité thermique.

Mécanisme de conduction thermique

La conductivité thermique est l'une des propriétés les plus importantes des matériaux conducteurs thermiques pour mesurer la capacité conductrice de chaleur. Il s'agit d'un composé covalent et ne contient pas d'électrons librement mobiles, de sorte que le transfert de chaleur s'effectue sous la forme de vibrations de réseau, appelées transfert de chaleur par phonons. La partie haute température du cristal a une énergie élevée et la partie basse température a une énergie faible. L'énergie est transférée de haut en bas grâce à l'interaction entre les phonos, et la migration de l'énergie conduit à la conduction de la chaleur.

Transfert de chaleur phonon

Les atomes à l’intérieur du réseau sont considérés comme de petites boules reliées les unes aux autres par des ressorts (liaisons covalentes), de sorte que la vibration de chaque atome doit tirer les atomes environnants et traverser le cristal sous forme d’ondes élastiques. Cette vibration du réseau génère des quanta d’énergie, appelés phonons, qui interagissent pour transmettre les vibrations, permettant ainsi la migration d’énergie et le transfert de chaleur.

La relation pour la conductivité thermique K dans le transfert thermique des phonons est donnée par :

Le c ci-dessus est la capacité thermique du corps céramique lui-même, v est la vitesse moyenne du mouvement du phonon et λ est la plage libre moyenne du phonon. La capacité thermique du matériau lui-même (c) est proche de constante et la grande capacité thermique du nitrure d'aluminium est l'une des raisons de la conductivité thermique élevée du nitrure d'aluminium. La vitesse du phonon (v) est uniquement liée à la densité cristalline et aux propriétés mécaniques élastiques, qui peuvent également être considérées comme une constante, donc la distance de propagation du phonon est la clé qui affecte les performances de conductivité thermique de l'aluminium macroscopique final. céramique nitrurée.

Par conséquent, il ressort clairement du mécanisme de conduction thermique des phonons à l’intérieur du nitrure d’aluminium que pour une conductivité thermique élevée, il est nécessaire de faire propager les phonons plus loin afin de réduire la résistance à la propagation, qui provient généralement de diverses diffusions lors de la diffusion des phonons. Les céramiques frittées présentent généralement divers défauts cristallins, impuretés, porosité et secondes phases introduites à l'intérieur, qui agissent pour disperser les phonons et affectent ainsi la conductivité thermique finale.

Facteurs clés affectant la conductivité thermique

Des recherches continues ont confirmé que parmi les nombreux facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques AlN, la microstructure et la teneur en impuretés oxygène des céramiques AlN sont particulièrement importantes.

(1) Influence de la microstructure des céramiques AlN sur la conductivité thermique.

Dans les applications pratiques, divers auxiliaires de frittage sont souvent ajoutés à l'AlN pour abaisser la température de frittage. Et en même temps, une deuxième phase est introduite dans le réseau AlN, entraînant une diminution de la conductivité thermique due à la diffusion des phonons pendant le processus de conduction thermique.

La deuxième phase introduite par l'ajout d'adjuvants de frittage peut se produire de plusieurs manières : en termes de répartition, elle peut être divisée en îlots et répartition continue aux joints de grains ; en termes de lieu de distribution, il peut être divisé en distribution aux trians des limites de grains et à d'autres emplacements aux limites des grains. Les grains distribués en continu peuvent fournir un accès plus direct aux phonons, et le contact direct avec les grains d'AlN a une conductivité thermique plus élevée que les grains d'AlN isolés, il est donc préférable que la deuxième phase soit distribuée en continu ; Les céramiques AlN distribuées au niveau du triangle limite des grains produisent moins de diffusion d'interférences pendant la conduction thermique et peuvent maintenir le contact entre les grains d'AlN, il est donc préférable que la deuxième phase soit distribuée en continu ; Les céramiques AlN distribuées au niveau du triangle limite des grains produisent moins de diffusion d'interférence pendant la conduction thermique et peuvent maintenir le contact entre les grains d'AlN, il est donc préférable que la deuxième phase soit distribuée au niveau du triangle limite des grains.

Diagramme schématique de la distribution de la deuxième phase dans le cristal aln

De plus, la répartition non uniforme de joints de grains similaires conduit à la présence d'un grand nombre de pores, ce qui gêne la diffusion des phonons et conduit à une diminution de la conductivité thermique de l'AlN. La teneur en joints de grains, la taille des joints de grains et la porosité ont également un effet sur les performances de conductivité thermique.

Par conséquent, lors du frittage des céramiques AlN, la conductivité thermique des céramiques AlN peut être améliorée en améliorant le processus de frittage par des moyens tels qu'une augmentation de la température de frittage, une prolongation du temps de maintien et un traitement thermique pour améliorer les défauts internes du cristal et pour faire en sorte que la deuxième phase soit distribuée en continu et située autant que possible aux joints de grains trigonaux.

(2) L'effet des impuretés d'oxygène sur la conductivité thermique.

L'AlN est très sensible à l'hydrolyse et à l'oxydation, ce qui entraîne une oxydation de la surface du nitrure d'aluminium, conduisant à la formation de défauts de lacunes en aluminium dans la solution solide d'oxygène dans le réseau d'AlN. Et cela conduit à une augmentation de la diffusion des phonons, une diminution de la plage libre moyenne et, par conséquent, une diminution de la conductivité thermique.

Teneur en oxygène et conductivité thermique dans le réseau AlN

Par conséquent, afin d’améliorer la conductivité thermique, l’ajout d’un adjuvant de frittage approprié pour éliminer les impuretés d’oxygène dans le réseau constitue une approche efficace.

Éléments de contrôle clés pour le frittage

L'AlN est un composé covalent avec un faible coefficient d'auto-diffusion des atomes et une forte énergie de liaison, ce qui rend difficile le frittage dense. Son point de fusion peut atteindre 3 000 ℃ ou plus, et la température de frittage est encore supérieure à 1 900 ℃. Une température de frittage aussi élevée restreint sérieusement l’application pratique de l’AlN dans l’industrie.

De plus, les impuretés d'oxygène dans la couche superficielle de l'AlN ne commencent à se diffuser à l'intérieur de son réseau qu'à des températures élevées. Le frittage à basse température a donc une autre fonction, à savoir retarder la diffusion des impuretés d'oxygène dans la couche superficielle vers la surface. l'intérieur du réseau AlN pendant le frittage et pour réduire les impuretés d'oxygène dans le réseau, la recherche de la technologie de frittage à basse température est donc impérative pour la préparation de matériaux céramiques AlN à haute conductivité thermique.

À l'heure actuelle, il existe différentes manières de fritter les céramiques AlN dans l'industrie, et différentes méthodes de frittage peuvent être adoptées pour obtenir des corps céramiques denses en fonction des besoins réels. Quelle que soit la méthode de frittage, le raffinage de la poudre d'AlN d'origine et l'ajout d'additifs de frittage appropriés à basse température peuvent réduire efficacement la température de frittage des céramiques de nitrure d'aluminium. 

(1) Utilisation de poudre de nitrure d'aluminium de petite taille de particules

La force motrice du processus de frittage du nitrure d'aluminium est l'énergie de surface, et la poudre d'AlN à grains fins peut améliorer le processus de frittage est l'énergie de surface, et la poudre d'AlN à grains fins peut améliorer l'activité de frittage et augmenter la force motrice du frittage pour accélérer le frittage. processus. Des études ont confirmé que lorsque la taille des particules de départ de la poudre d'AlN d'origine est 20 fois plus petite, le taux de frittage de la céramique augmente 147 fois.

Les matières premières de frittage doivent être sélectionnées parmi la poudre de nitrure d'aluminium avec une petite taille de particules et une distribution uniforme, ce qui peut empêcher la recristallisation secondaire, et les grosses particules internes sont sujettes à une croissance anormale des grains qui n'est pas propice au frittage de densification ; si les particules ne sont pas uniformément réparties, les cristaux individuels sont sujets à une croissance anormale pendant le processus de frittage et affectent le frittage.

Croissance des grains de nitrure d'aluminium

Parfois, le mécanisme de frittage des céramiques de nitrure d’aluminium est influencé par la taille de la poudre d’origine. Les poudres de nitrure d'aluminium de taille micronique sont frittées selon le mécanisme de diffusion en masse, tandis que les poudres de taille nanométrique sont frittées selon le mécanisme de diffusion aux limites des grains ou de diffusion en surface.

Cependant, pour l'instant, la préparation de poudres d'AlN fines et uniformes est très difficile, et la plupart d'entre elles sont préparées par une méthode chimique humide combinée à une méthode de réduction thermique du carbone, qui est non seulement complexe en termes de processus de frittage mais également consommatrice d'énergie. Il existe encore des limites à la promotion et à l'application à grande échelle. L’offre nationale de poudre de nitrure d’aluminium haute performance de petite taille de particules est encore très rare.

(2) Sélection d'additifs de frittage à basse température pour les céramiques de nitrure d'aluminium

En ajoutant des additifs de frittage à bas point de fusion dans le processus de frittage, il peut produire une phase liquide pour favoriser le frittage dense. De plus, certains additifs de frittage peuvent non seulement générer une phase liquide, mais également réagir avec les impuretés d'oxygène dans le réseau, ce qui peut jouer le rôle d'élimination des impuretés d'oxygène pour purifier le réseau, améliorant ainsi la conductivité thermique des céramiques AlN.

Diagramme schématique du processus d'action des additifs de frittage

Cependant, les additifs de frittage ne doivent pas être ajoutés aveuglément et la quantité ajoutée doit être appropriée, sinon cela pourrait avoir un effet néfaste. Les additifs de frittage introduisent une seconde phase, et le contrôle de la distribution de la seconde phase a un impact important sur la conductivité thermique.

Après recherche, lors de la sélection des additifs de frittage à basse température pour la céramique AlN, il convient de se référer aux points suivants :

1) L'additif a un point de fusion bas et est capable de former une phase liquide à une température de frittage plus basse et de favoriser le frittage à travers la phase liquide ;

2) Les additifs peuvent réagir avec Al2O3 pour éliminer les impuretés d'oxygène et purifier le réseau AlN, améliorant ainsi la conductivité thermique ;

3) Les additifs ne réagissent pas avec l'AlN pour éviter la génération de défauts ;

4) Les additifs n'induisent pas la décomposition et l'oxydation de l'AlN pour produire Al2O3 et AlON, évitant ainsi une forte diminution de la conductivité thermique des céramiques de nitrure d'aluminium.

Les matériaux jugés appropriés comme additifs de frittage sont Y2O3, CaO, Li2O, BaO, MgO, SrO2, La2O3, HfO2 et CeO2, qui ne réagissent pas avec AlN, ainsi que certains fluorures de métaux des terres rares et de métaux alcalino-terreux et un petit nombre de composés aux propriétés réductrices (CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN, etc.).

Utilisant un seul additif de frittage seul, le frittage à pression atmosphérique nécessite généralement une température supérieure à 1800°C. L'utilisation d'additifs composés et la conception d'additifs et de ratios raisonnables peuvent réduire davantage la température de frittage de manière efficace, et il s'agit également d'une méthode couramment utilisée pour le frittage à basse température du nitrure d'aluminium à l'heure actuelle.

Résumé

Le domaine d'application des emballages électroniques de substrat en céramique de nitrure d'aluminium est de plus en plus répandu, il existe également des entreprises nationales dans ce domaine qui ont été construites, cependant, par rapport à la mer Rouge longtemps proche des marchés étrangers, le développement du substrat en céramique de nitrure d'aluminium en Chine est encore à ses balbutiements, dans la préparation et la production de poudres hautes performances et de substrats à haute conductivité thermique, il existe encore une certaine lacune. Compréhension approfondie du mécanisme du matériau, à partir de la racine du bon médicament, afin de propulser l'industrie chinoise des substrats céramiques à un niveau supérieur.

Référence:

Préparation du substrat céramique AIN à haute conductivité thermique et emballage pour LED haute puissance, Li Hongwei, Université chinoise de Jiliang.

Cet article est réimprimé de 360powder.com.