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En tant que nouveau type de matériau d'emballage pour appareils électroniques, la céramique AlN présente une conductivité et une résistance thermiques élevées, un faible coefficient de dilatation thermique et de perte diélectrique, une résistance à la corrosion chimique et à haute température, une bonne isolation et une protection de l'environnement non toxique. C'est donc l'un des matériaux céramiques les plus prometteurs selon les recensements nationaux et internationaux.
Substrat en céramique de nitrure d'aluminium, un matériau idéal pour les emballages de puces à haute puissance, à haute teneur en plomb et de grande taille, la conductivité thermique a été au centre de l'attention de l'industrie. La conductivité thermique actuelle du substrat AIN commercial par rapport à sa conductivité thermique théorique est encore un grand écart. Par conséquent, l'amélioration de la conductivité thermique plus élevée du substrat en céramique AIN tout en réduisant la température de frittage de la céramique AIN est d'une grande importance pour le développement rapide des dispositifs électroniques.
Afin de préparer des substrats de nitrure d'aluminium avec une conductivité thermique plus élevée, il est nécessaire d'étudier quels facteurs 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 de conduction thermique. C'est un composé covalent et il n'y a pas d'électrons librement mobiles à l'intérieur, de sorte que le transfert de chaleur est réalisé sous la forme de vibrations de réseau, appelées transfert de chaleur par phonons. La partie à haute température du cristal a une énergie élevée et la partie à basse température a une faible. L'énergie est transférée de haut en bas par 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, qui sont 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 la 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 de chaleur 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 des phonons et λ est la plage libre moyenne du phonon. La capacité thermique du matériau lui-même (c) est proche de la 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, de sorte que 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 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 se propager les phonons plus loin pour 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, porosités et secondes phases introduites à l'intérieur, qui agissent pour diffuser les phonons et affectent ainsi la conductivité thermique finale.
Facteurs clés affectant la conductivité thermique
Il a été confirmé par des recherches continues que parmi les nombreux facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques AlN, la microstructure et la teneur en impuretés d'oxygène des céramiques AlN sont particulièrement importantes.
(1) Influence de la microstructure des céramiques AlN sur la conductivité thermique.
Dans les applications pratiques, divers adjuvants de frittage sont souvent ajoutés à l'AIN 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 lors du processus de conduction thermique.
La deuxième phase introduite par l'ajout d'adjuvants de frittage peut se produire de plusieurs manières : en termes de distribution, elle peut être divisée en îlots et distribution continue aux joints de grains ; en termes d'emplacement de distribution, il peut être divisé en distribution aux triangles de joints de grains et autres emplacements aux joints de 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'interférences pendant la conduction thermique et peuvent maintenir le contact entre les grains AlN, il est donc préférable que la deuxième phase soit distribuée au niveau du triangle limite des grains.
Schéma de principe de la distribution de la deuxième phasedans le cristal d'aln
De plus, la distribution 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'AIN. 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 de la céramique AlN, la conductivité thermique de la céramique AlN peut être améliorée en améliorant le processus de frittage par des moyens tels que l'augmentation de la température de frittage, l'allongement du temps de maintien et le traitement thermique pour améliorer les défauts internes du cristal et pour faire en sorte que la deuxième phase soit distribuée de manière continue 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, entraînant 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, à une diminution de la plage libre moyenne et à une diminution conséquente de la conductivité thermique.
Teneur en oxygène (% en poids) | Conductivité thermique(W/m·K) |
0,31 | 130 |
0,24 | 146 |
0,19 | 165 |
0,13 | 171 |
0,12 | 185 |
Teneur en oxygène et conductivité thermique dans le réseau AlN
Par conséquent, afin d'améliorer la conductivité thermique, l'ajout d'une aide au frittage appropriée pour éliminer les impuretés d'oxygène dans le réseau est une approche efficace.
Éléments de contrôle clés pour le frittage
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 est jusqu'à 3000℃ ou plus, et la température de frittage est même supérieure à 1900℃. Une température de frittage aussi élevée limite sérieusement l'application pratique de l'AlN dans l'industrie.
De plus, les impuretés d'oxygène dans la couche superficielle d'AlN ne commencent à se diffuser à l'intérieur de son réseau qu'à des températures élevées, de sorte que le frittage à basse température a une autre fonction, à savoir retarder la diffusion des impuretés d'oxygène dans la couche superficielle vers le 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 AIN 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 à basse température appropriés peuvent réduire efficacement la température de frittage des céramiques de nitrure d'aluminium.
(1) Utilisation de poudre de nitrure d'aluminium de petite granulométrie
La force motrice du processus de frittage de 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 de 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 augmentera 147 fois.
Les matières premières de frittage doivent être sélectionnées à partir de 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 ne favorise pas le 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 au nitrure d'aluminium est influencé par la taille de la poudre d'origine. Les poudres de nitrure d'aluminium de taille micrométrique sont frittées selon le mécanisme de diffusion en masse, tandis que les poudres de taille nanométrique sont frittées selon le mécanisme de diffusion intergranulaire 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 au carbone, qui est non seulement complexe dans le processus de frittage mais aussi consommatrice d'énergie, et là il y a encore des limites à la promotion et à l'application à grande échelle. L'approvisionnement national en poudre de nitrure d'aluminium haute performance à petite granulométrie 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'éliminer les impuretés d'oxygène pour purifier le réseau, améliorant ainsi leconductivité thermique des céramiques AlN.
Schéma de principe du processus d'action des additifs de frittage
Cependant, les additifs de frittage ne doivent pas être ajoutés à l'aveuglette 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, dans le choix 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 AIN pour éviter la génération de défauts ;
4) Les additifs n'induisent pas la décomposition et l'oxydation de l'AIN pour produire de l'Al2O3 et de l'AlON, évitant ainsi une forte diminution de la conductivité thermique des céramiques en 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 l'AIN, ainsi que certains fluorures de métaux de 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 rapports raisonnables peuvent réduire davantage la température de frittage de manière efficace, et c'est également une méthode couramment utilisée pour le frittage à basse température du nitrure d'aluminium à l'heure actuelle.
Résumé
Le domaine d'application de l'emballage électronique du substrat en céramique de nitrure d'aluminium est de plus en plus répandu, il y a aussi des entreprises nationales dans ce domaine qui ont été construites, cependant, par rapport à la longue mer rouge 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 poudre à haute performance et substrat à haute conductivité thermique a encore un certain écart. Compréhension approfondie du mécanisme du matériau, à partir de la racine du bon médicament, afin de faire passer l'industrie chinoise des substrats céramiques à un niveau supérieur.
Référence:
Préparation de Substrat Céramique AIN à Haute Conductivité Thermique et Conditionnement pour LED Haute Puissance, Li Hongwei, Université de Chine Jiliang.
Cet article est réimprimé de 360powder.com.
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