Протягом десятиліть гібридні інтегровані схеми з високою потужністю переважно використовували кераміку Al₂o₃ (Alumina) та Beo (Beryllia) як матеріали для підкладки. Однак Al₂o₃ страждає від низької теплопровідності (24–30 Вт/(м · к)) та коефіцієнта теплового розширення (CTE), що не відповідає кремнію, в той час як Beo, незважаючи на свої вищі комплексні показники, стикається з обмеженнями за рахунок високих виробничих витрат та токсичності. Отже, жоден матеріал не відповідає розвиваючим вимогам сучасних потужних електронних пристроїв з точки зору продуктивності, витрат та екологічної стійкості.
Кераміка нітриду алюмінію (ALN) з їх винятковими властивостями стала як вдосконалений керамічний матеріал наступного покоління. Їх висока теплопровідність, низька діелектрична константа, низька діелектрична втрата, відмінна електрична ізоляція, CTE, що відповідає кремнію, та нетоксичність, роблять їх ідеальними для високої щільності, потужності та високошвидкісних інтегрованих підкладки та упаковки. Серед цих ознак висока теплопровідність виділяється як найважливіша характеристика ALN. Теоретично теплопровідність ALN може досягати 320 Вт/(м · к), що регулюється фононною теплопередачі-процесом, що керується коливаннями решітки (фононів), що поширюються через кристалічну структуру.
Зображення кристалічної структури нітриду алюмінію (ALN)
Проблеми у досягненні теоретичної теплопровідності
Як ізоляційна кераміка, передача тепла в ALN відбувається через вібрації атомної решітки (фонон), де фонони діють як первинні носії теплової енергії. Однак практична теплопровідність продуктів ALN значно не відповідає теоретичному значення через домішки та дефекти кристалів, що порушує поширення фононів.
1. Домішки кисню: домінуючий фактор
Порошок ALN, як правило, містить домішкові елементи, такі як іони кисню, вуглецю та мікроелементів. Зокрема, кисень відіграє вирішальну роль у погіршенні теплопровідності. Ключові механізми включають:
Поверхневе окислення: ALN схильний до гідролізу та окислення, утворюючи на його поверхню шар al₂o₃. Цей al₂o₃ розчиняється в ґратну Альн, генеруючи алюмінієві вакансії (v <sub> al </sub>).
Включення кисню в решітку: сильна спорідненість кисню до ALN дозволяє йому легко замінювати ділянки азоту (N) всередині решітки. При концентрації кисню [o] <0,75%атоми кисню рівномірно займають N ділянок, що супроводжуються алюмінієвими вакансіями. При [o] ≥ 0,75%кисень запускає структурні спотворення, змінюючи зайнятість алюмінію та утворюючи октаедричні дефекти. Більш високі концентрації кисню індукують розширені дефекти, включаючи багаті кисневими розломами, інверсійні домени та політипні перетворення.
Ці дефекти, пов'язані з киснем, різко збільшують поперечні перерізи фононного розсіювання, скорочуючи середній фонд вільного шляху (MFP)-критичний параметр, що регулює теплопровідність. Теплопровідність (κ) матеріалу виражається як:
Зв'язок між теплопровідністю алюмінієвого нітриду (ALN) та температурою 2. Інші механізми дефектів
Межі зерна: полікристалічний ALN містить межі зерна, що розсіюють фонони, ще більше зменшуючи MFP.
Порожнеча та пористість: залишкові пори від спікання діють як центри розсіювання фононів.
Вторинні фази: такі домішки, як карбіди або металеві залишки, утворюють вторинні фази, порушуючи безперервність решітки.
Стратегії пом'якшення
Для підходу до теоретичної теплопровідності Альна, методи вдосконалених синтезу зосереджуються на:
Сировина з високою чистотою: мінімізація кисню (<100 проміле) та металеві домішки під час синтезу порошку.
Контрольоване спікання: Використання таких добавок, як y₂o₃ для придушення включення кисню, сприяючи ущільненню.
Дефектна інженерія: пописання розміру та орієнтації зерна, щоб мінімізувати розсіювання грану зерна.
У той час як теоретична теплопровідність ALN 320 Вт/(м · к) залишається невловимою в комерційних продуктах, постійні досягнення в очищенні матеріалів, контролю дефектів та оптимізації процесів звужують цю прогалину. Подолання дефектів, пов'язаних з киснем, залишається наріжним каменем для розблокування повного потенціалу ALN у потужній електроніці, де теплове управління є першорядним.
