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Como un nuevo tipo de material de embalaje para dispositivos electrónicos, la cerámica AlN tiene alta conductividad térmica y resistencia, bajo coeficiente de expansión térmica y pérdida dieléctrica, alta temperatura y resistencia a la corrosión química, buen aislamiento y protección ambiental no tóxica. Por lo que es uno de los materiales cerámicos más prometedores por censo nacional e internacional.
El sustrato cerámico de nitruro de aluminio, un material ideal para empaques de chips de gran tamaño, alto contenido de plomo y alta potencia, la conductividad térmica ha sido el enfoque de la industria. La conductividad térmica actual del sustrato AlN comercial a partir de su conductividad térmica teórica sigue siendo una gran brecha. Por lo tanto, la mejora de una mayor conductividad térmica del sustrato cerámico AlN mientras se reduce la temperatura de sinterización de la cerámica AlN es de gran importancia para el rápido desarrollo de dispositivos electrónicos.
Para preparar sustratos de nitruro de aluminio con mayor conductividad térmica, es necesario investigar qué factores afectan la conductividad térmica.
Mecanismo de conducción de calor
La conductividad térmica es una de las propiedades más importantes de los materiales conductores térmicos para medir la capacidad de conducción térmica. Es un compuesto covalente y no tiene electrones que se muevan libremente en su interior, por lo que la transferencia de calor se logra en forma de vibraciones de red, lo que se denomina transferencia de calor de fonones. La parte de alta temperatura del cristal tiene alta energía y la parte de baja temperatura tiene baja. La energía se transfiere de mayor a menor a través de la interacción entre fonos, y la migración de energía conduce a la conducción de calor.
Transferencia de calor de fonones
Los átomos dentro de la red se ven como pequeñas bolas, que están conectadas entre sí por resortes (enlaces covalentes), de modo que la vibración de cada átomo tiene que atraer a los átomos circundantes y atravesar el cristal en forma de ondas elásticas. Esta vibración de red genera cuantos de energía, llamados fonones, que interactúan para transmitir las vibraciones, lo que permite la migración de energía y la transferencia de calor.
La relación para la conductividad térmica K en la transferencia de calor de fonones viene dada por:
La c anterior es la capacidad calorífica del propio cuerpo cerámico, v es la velocidad promedio del movimiento del fonón y λ es el rango libre promedio del fonón. La capacidad calorífica del material en sí (c) es casi constante, y la gran capacidad calorífica del nitruro de aluminio es una de las razones de la alta conductividad térmica del nitruro de aluminio. La velocidad del fonón (v) solo está relacionada con la densidad del cristal y las propiedades mecánicas elásticas, que también pueden considerarse como una constante, por lo que la distancia de propagación del fonón es la clave que afecta el rendimiento de la conductividad térmica del aluminio macroscópico final. cerámica de nitruro.
Por lo tanto, está claro a partir del mecanismo de conducción de calor de los fonones dentro del nitruro de aluminio que para una alta conductividad térmica, es necesario hacer que los fonones se propaguen más lejos para reducir la resistencia a la propagación, que generalmente proviene de diversas dispersiones durante la difusión de fonones. Las cerámicas sinterizadas suelen tener diversos defectos cristalinos, impurezas, porosidad y segundas fases introducidas en su interior, que actúan dispersando los fonones y afectando así a la conductividad térmica final.
Factores clave que afectan la conductividad térmica
Se ha confirmado a través de investigaciones continuas que entre los muchos factores que afectan la conductividad térmica de las cerámicas de AlN, la microestructura y el contenido de impurezas de oxígeno de las cerámicas de AlN son particularmente prominentes.
(1) Influencia de la microestructura de la cerámica AlN en la conductividad térmica.
En aplicaciones prácticas, a menudo se agregan varios auxiliares de sinterización al AlN para reducir la temperatura de sinterización. Y al mismo tiempo, se introduce una segunda fase en la red de AlN, lo que resulta en una disminución de la conductividad térmica debido a la dispersión de fonones durante el proceso de conducción de calor.
La segunda fase introducida por la adición de auxiliares de sinterización puede ocurrir de varias maneras: en términos de distribución, puede dividirse en islas y distribución continua en los límites de grano; en términos de ubicación de distribución, se puede dividir en distribución en triángulos de límite de grano y otras ubicaciones en límites de grano. Los granos distribuidos de forma continua pueden proporcionar un acceso más directo a los fonones, y el contacto directo con los granos de AlN tiene una conductividad térmica más alta que los granos de AlN aislados, por lo que es mejor que la segunda fase se distribuya continuamente; Las cerámicas de AlN distribuidas en el triángulo del límite del grano producen menos dispersión de interferencias durante la conducción del calor y pueden mantener el contacto entre los granos de AlN, por lo que es mejor que la segunda fase se distribuya continuamente; Las cerámicas de AlN distribuidas en el triángulo del límite de grano producen menos dispersión de interferencias durante la conducción del calor y pueden mantener el contacto entre los granos de AlN, por lo que es mejor que la segunda fase se distribuya en el triángulo del límite de grano.
Diagrama esquemático de la distribución de la segunda fase.dentro del cristal aln
Además, la distribución no uniforme de los límites de grano similares conduce a la presencia de una gran cantidad de poros, lo que dificulta la dispersión de fonones y conduce a una disminución de la conductividad térmica de AlN. El contenido del límite de grano, el tamaño del límite de grano y la porosidad también tienen un efecto sobre el rendimiento de la conductividad térmica.
Por lo tanto, durante la sinterización de cerámicas de AlN, la conductividad térmica de las cerámicas de AlN se puede mejorar mejorando el proceso de sinterización por medios tales como el aumento de la temperatura de sinterización, prolongando el tiempo de retención y el tratamiento térmico para mejorar los defectos internos del cristal y para hacer que la segunda fase se distribuya continuamente y que se ubique en los límites de grano trigonal tanto como sea posible.
(2) El efecto de las impurezas de oxígeno en la conductividad térmica.
AlN es altamente susceptible a la hidrólisis y oxidación, lo que resulta en la oxidación de la superficie de nitruro de aluminio, lo que conduce a la formación de defectos de vacantes de aluminio en la solución sólida de oxígeno en la red de AlN. Y conduce a un aumento en la dispersión de fonones, una disminución en el rango libre medio y la consiguiente disminución en la conductividad térmica.
Contenido de oxígeno (% en peso) | Conductividad térmica (W/m·K) |
0.31 | 130 |
0.24 | 146 |
0.19 | 165 |
0.13 | 171 |
0.12 | 185 |
Contenido de oxígeno y conductividad térmica en la red de AlN
Por lo tanto, para mejorar la conductividad térmica, agregar un auxiliar de sinterización adecuado para eliminar las impurezas de oxígeno en la red es un enfoque efectivo.
Elementos de control clave para la sinterización
AlN es un compuesto covalente con un pequeño coeficiente de autodifusión de átomos y una fuerte energía de enlace, lo que dificulta la sinterización densa. Su punto de fusión es de hasta 3000 ℃ o más, y la temperatura de sinterización es incluso superior a 1900 ℃. Una temperatura de sinterización tan alta restringe seriamente la aplicación práctica de AlN en la industria.
Además, las impurezas de oxígeno en la capa superficial de AlN comienzan a difundirse hacia el interior de su red solo a altas temperaturas, por lo que la sinterización a baja temperatura tiene otra función, a saber, retrasar la difusión de las impurezas de oxígeno en la capa superficial hacia el interior de la red de AlN durante la sinterización y para reducir las impurezas de oxígeno en la red, por lo que la investigación de la tecnología de sinterización a baja temperatura es imprescindible para la preparación de materiales cerámicos de AlN con alta conductividad térmica.
En la actualidad, existen varias formas de sinterizar cerámicas AlN en la industria, y se pueden adoptar diferentes métodos de sinterización para obtener cuerpos cerámicos densos de acuerdo con las necesidades reales. Independientemente del método de sinterización, refinar el polvo de AlN original y agregar aditivos de sinterización adecuados a bajas temperaturas puede reducir de manera efectiva la temperatura de sinterización de cerámicas de nitruro de aluminio.
(1) Usando polvo de nitruro de aluminio de tamaño de partícula pequeño
La fuerza impulsora del proceso de sinterización de nitruro de aluminio es la energía superficial, y el polvo de AlN de grano fino puede mejorar el proceso de sinterización es energía superficial, y el polvo de AlN de grano fino puede mejorar la actividad de sinterización y aumentar la fuerza impulsora de sinterización para acelerar la sinterización proceso. Los estudios han confirmado que cuando el tamaño de partícula inicial del polvo de AlN original es 20 veces más pequeño, la tasa de sinterización de la cerámica aumentará 147 veces.
Las materias primas de sinterización deben seleccionarse a partir de polvo de nitruro de aluminio con un tamaño de partícula pequeño y una distribución uniforme, lo que puede evitar la recristalización secundaria, y las partículas internas grandes son propensas a un crecimiento de grano anormal que no conduce a la sinterización por densificación; si las partículas no se distribuyen uniformemente, los cristales individuales son propensos a un crecimiento anormal durante el proceso de sinterización y afectan a la sinterización.
Crecimiento de grano de nitruro de aluminio
A veces, el mecanismo de sinterización de las cerámicas de nitruro de aluminio está influenciado por el tamaño del polvo original. Los polvos de nitruro de aluminio de tamaño micrónico se sinterizan de acuerdo con el mecanismo de difusión en masa, mientras que los polvos de tamaño nanométrico se sinterizan de acuerdo con el mecanismo de difusión de límite de grano o de difusión superficial.
Sin embargo, por ahora, la preparación de polvos finos y uniformes de AlN es muy difícil, y la mayoría de ellos se preparan mediante el método químico húmedo combinado con el método de reducción térmica de carbón, que no solo es complejo en el proceso de sinterización sino que también consume energía, y no todavía existen algunas limitaciones para la promoción y aplicación a gran escala. El suministro nacional de polvo de nitruro de aluminio de alto rendimiento y tamaño de partícula pequeño es aún muy escaso.
(2) Selección de aditivos de sinterización a baja temperatura para cerámicas de nitruro de aluminio
Al agregar algunos aditivos de sinterización de bajo punto de fusión en el proceso de sinterización, puede producir una fase líquida para promover la sinterización densa. Además, algunos aditivos de sinterización no solo pueden generar fase líquida, sino que también reaccionan con las impurezas de oxígeno en la red, lo que puede desempeñar la función de eliminar las impurezas de oxígeno para purificar la red, mejorando así laconductividad térmica de las cerámicas de AlN.
Diagrama esquemático del proceso de acción de los aditivos de sinterización.
Sin embargo, los aditivos de sinterización no deben agregarse a ciegas, y la cantidad agregada debe ser adecuada, de lo contrario, puede tener un efecto perjudicial. Los aditivos de sinterización introducen una segunda fase, y el control de distribución de la segunda fase tiene un gran impacto en la conductividad térmica.
Después de la investigación, en la selección de aditivos de sinterización a baja temperatura para cerámica AlN, se deben tener en cuenta los siguientes puntos:
1) el aditivo tiene un punto de fusión bajo y puede formar una fase líquida a una temperatura de sinterización más baja y promover la sinterización a través de la fase líquida;
2) Los aditivos pueden reaccionar con Al2O3 para eliminar las impurezas de oxígeno y purificar la red de AlN, mejorando así la conductividad térmica;
3) Los aditivos no reaccionan con AlN para evitar la generación de defectos;
4) Los aditivos no inducen la descomposición y oxidación de AlN para producir Al2O3 y AlON, evitando una fuerte disminución de la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de aluminio.
Los materiales que se han considerado adecuados como aditivos de sinterización son Y2O3, CaO, Li2O, BaO, MgO, SrO2, La2O3, HfO2 y CeO2, que no reaccionan con AlN, así como algunos fluoruros de metales de tierras raras y metales alcalinotérreos y un pequeño número de compuestos con propiedades reductoras (CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN, etc.).
Usando un solo aditivo de sinterización solo, la sinterización a presión atmosférica generalmente requiere una temperatura superior a 1800°C. El uso de aditivos compuestos y el diseño de aditivos y proporciones razonables pueden reducir aún más la temperatura de sinterización de manera efectiva, y también es un método comúnmente utilizado para la sinterización a baja temperatura de nitruro de aluminio en la actualidad.
Resumen
El campo de aplicación de embalaje electrónico de sustrato cerámico de nitruro de aluminio se está generalizando cada vez más, también se han construido algunas empresas nacionales en este campo, sin embargo, en comparación con el mar rojo cercano a largo de los mercados extranjeros, el desarrollo de sustrato cerámico de nitruro de aluminio de China es todavía en su infancia, en la preparación y producción de polvo de alto rendimiento y sustrato de alta conductividad térmica todavía tiene una cierta brecha. Comprensión profunda del mecanismo del material, desde la raíz de la medicina correcta, para hacer que la industria de sustratos cerámicos de China alcance un nivel superior.
Referencia:
Preparación de Sustrato Cerámico AIN de Alta Conductividad Térmica y Envasado para LED de Alta Potencia, Li Hongwei, Universidad China Jiliang.
Este artículo se ha reimpreso de 360powder.com.
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