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Como nuevo tipo de material de embalaje de dispositivos electrónicos, la cerámica AlN tiene alta conductividad y resistencia térmica, bajo coeficiente de expansión térmica y pérdida dieléctrica, resistencia a altas temperaturas y corrosión química, buen aislamiento y protección ambiental no tóxica. Por lo que es uno de los materiales cerámicos más prometedores según el consenso nacional e internacional.
El sustrato cerámico de nitruro de aluminio, un material ideal para empaquetar chips de gran tamaño, alto contenido de plomo y alta potencia, ha sido el foco de atención de la industria en la conductividad térmica. La conductividad térmica actual del sustrato comercial de AlN con respecto a su conductividad térmica teórica sigue siendo una gran brecha. Por lo tanto, la mejora de una mayor conductividad térmica del sustrato cerámico de AlN mientras se reduce la temperatura de sinterización de la cerámica de 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 del calor. 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 por fonones. La parte de alta temperatura del cristal tiene alta energía y la parte de baja temperatura tiene baja. La energía se transfiere de arriba a abajo mediante 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 mediante resortes (enlaces covalentes), de modo que la vibración de cada átomo tiene que tirar de los átomos circundantes y atravesar el cristal en forma de ondas elásticas. Esta vibración reticular genera cuantos de energía, llamados fonones, que interactúan para transmitir las vibraciones, permitiendo así la migración de energía y la transferencia de calor.
La relación de conductividad térmica K en la transferencia de calor de fonones viene dada por:
La c anterior es la capacidad calorífica del cuerpo cerámico en sí, 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) sólo 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, del mecanismo de conducción de calor de los fonones dentro del nitruro de aluminio se desprende claramente 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 los fonones. Las cerámicas sinterizadas suelen presentar diversos defectos cristalinos, impurezas, porosidad y segundas fases introducidas en su interior, que actúan dispersando los fonones y afectan así a la conductividad térmica final.
Factores clave que afectan la conductividad térmica
Se ha confirmado mediante 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 las cerámicas de AlN en la conductividad térmica.
En aplicaciones prácticas, a menudo se añaden al AlN diversos coadyuvantes de sinterización 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 del calor.
La segunda fase introducida por la adición de coadyuvantes de sinterización puede ocurrir de varias maneras: en términos de distribución, puede dividirse en islas y distribución continua en los límites de los granos; en términos de ubicación de distribución, se puede dividir en distribución en trianles de límites de grano y otras ubicaciones en los límites de grano. Los granos distribuidos continuamente pueden proporcionar un acceso más directo a los fonones, y el contacto directo con los granos de AlN tiene una conductividad térmica mayor 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 de grano producen menos dispersión de interferencia durante la conducción de 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 interferencia durante la conducción de 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 de aln.
Además, la distribución no uniforme de 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 del AlN. El contenido de los límites de grano, el tamaño de los límites de grano y la porosidad también influyen en 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 aumentar la temperatura de sinterización, extender el tiempo de retención y tratamiento térmico para mejorar los defectos internos del cristal y hacer que la segunda fase se distribuya continuamente y se ubique en los límites de los granos trigonales tanto como sea posible.
(2) El efecto de las impurezas de oxígeno sobre la conductividad térmica.
El AlN es altamente susceptible a la hidrólisis y oxidación, lo que resulta en la oxidación de la superficie del nitruro de aluminio, lo que lleva 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 de la dispersión de fonones, una disminución del rango libre medio y la consiguiente disminución de 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 eficaz.
Elementos de control clave para la sinterización
AlN es un compuesto covalente con un pequeño coeficiente de autodifusión de los 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 del AlN en la industria.
Además, las impurezas de oxígeno en la capa superficial de AlN comienzan a difundirse hacia el interior de su red sólo 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 la superficie. 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 imperativa 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 según 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 efectivamente el Temperatura de sinterización de cerámicas de nitruro de aluminio.
(1) Uso de 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 la 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 las cerámicas 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 anormal del grano que no favorece la sinterización por densificación; Si las partículas no están distribuidas uniformemente, los cristales individuales son propensos a un crecimiento anormal durante el proceso de sinterización y afectan la sinterización.
Crecimiento del grano de nitruro de aluminio.
A veces, el mecanismo de sinterización de las cerámicas de nitruro de aluminio se ve influenciado por el tamaño del polvo original. Los polvos de nitruro de aluminio de tamaño micrométrico se sinterizan según el mecanismo de difusión masiva, mientras que los polvos de tamaño nanométrico se sinterizan según el mecanismo de difusión en el límite de grano o de difusión superficial.
Sin embargo, por ahora, la preparación de polvos de AlN finos y uniformes es muy difícil, y la mayoría de ellos se preparan mediante el método químico húmedo combinado con el método de reducción térmica con carbono, que no sólo es complejo en el proceso de sinterización sino que también consume energía, y hay Todavía existen algunas limitaciones para la promoción y aplicación a gran escala. El suministro interno de polvo de nitruro de aluminio de alto rendimiento y tamaño de partículas pequeñas sigue siendo 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, se 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 el papel de eliminar las impurezas de oxígeno para purificar la red, mejorando así la conductividad térmica de las cerámicas de AlN.
Diagrama esquemático del proceso de acción de los aditivos de sinterización.
Sin embargo, los aditivos de sinterización no se deben añadir a ciegas y la cantidad añadida 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 debe tener en cuenta los siguientes puntos:
1) El aditivo tiene un punto de fusión bajo y es capaz de 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 el AlN para evitar la generación de defectos;
4) Los aditivos no inducen la descomposición y oxidación del AlN para producir Al2O3 y AlON, evitando una fuerte disminución de la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de aluminio.
Los materiales considerados 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.).
Utilizando un único aditivo de sinterización, la sinterización a presión atmosférica normalmente 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 de nitruro de aluminio a baja temperatura en la actualidad.
Resumen
El campo de aplicación de envases electrónicos con sustrato cerámico de nitruro de aluminio se está volviendo cada vez más extendido, también se han construido algunas empresas nacionales en este campo; sin embargo, en comparación con el Mar Rojo de los mercados extranjeros, que está cerca desde hace mucho tiempo, el desarrollo del sustrato cerámico de nitruro de aluminio de China es Todavía en su infancia, todavía hay una cierta brecha en la preparación y producción de polvo de alto rendimiento y sustrato de alta conductividad térmica. Comprensión profunda del mecanismo del material, desde la raíz de la medicina adecuada, para llevar la industria de sustratos cerámicos de China a un nivel superior.
Referencia:
Preparación de Sustrato Cerámico AIN de Alta Conductividad Térmica y Embalaje para LED de Alta Potencia, Li Hongwei, Universidad China Jiliang.
Este artículo está reimpreso de 360powder.com.
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