影響氮化鋁陶瓷基板的熱導率的因素有哪些？

氮化鋁陶瓷基板

AlN是一種結構穩(wěn)定且具有六方纖鋅礦結構，無其他同質異型物存在的共價鍵型化合物。它的晶體結構是由鋁原子和臨近的氮原子歧變產(chǎn)生的AlN4四面體為結構單元；空間群為P6₃mc，屬于六方晶系。

AlN 晶體結構示意圖

AlN陶瓷的主要特點：

(1)熱導率高,是氧化鋁陶瓷的5-10倍;

(2)熱膨脹系數(shù)(4.3×10^-6/℃)與半導體硅材料(3.5-4.0×10^-6/℃)匹配;

(3)機械性能好;

(4)電性能優(yōu)良,具有極高的絕緣電阻和低的介質損耗;

(5)可以進行多層布線,實現(xiàn)封裝的高密度和小型化;

(6)無毒,有利于環(huán)保。

影響AlN陶瓷熱導率的各種因素

在300K下，AlN單晶材料理論熱導率高達319W/(m·K)，但是在實際生產(chǎn)過程中，由于材料的純度、內(nèi)部缺陷（位錯、氣孔、雜質、點陣畸變）、晶粒取向和燒結工藝等各種因素的影響，其熱導率也會受影響，常常低于理論值。

影響 AlN 陶瓷熱導率的各種因素

微觀結構對熱導率的影響

單晶AlN的熱傳導機理是聲子傳熱，所以AlN的導熱性能可能主要受晶體中的晶界、界面、第二相、缺陷、電子及聲子本身對其散射控制的影響。由晶格固體振動論可知，聲子散射與熱導率λ的關系式為：

λ=l/3cv

式中c為熱容，v為聲子平均速度，l為聲子平均自由程。從上式可知，氮化鋁的熱導率λ與聲子的平均自由程l成正比，l越大，熱導率越高。從微觀結構來看，聲子與聲子之間的相互作用、聲子與雜質、晶界缺陷的相互作用，均會引發(fā)散射，會對聲子的平均自由程產(chǎn)生影響，從而影響其熱導率。

總結：

AlN的微觀結構對其熱導率影響較大，若想獲得高熱導率的氮化鋁陶瓷，盡量要使氮化鋁晶體缺陷少，雜質含量少。

氧雜質含量對熱導率的影響

研究表明：AlN和氧的親和力很強，易氧化，導致其表面易生成氧化鋁膜，由于Al₂O₃中氧原子的溶入，取代了AlN中的氮原子的位置，產(chǎn)生了鋁空位，形成了氧缺陷，具體反應如下：

鋁₂O₃→2_鋁+3O_前往

式中O_N為氧原子取代氮化鋁晶格中的氮的位置，V_Al為鋁空位。形成的鋁空位散射聲子，導致聲子的平均自由程降低，所以AlN基板的熱導率也會降低。

研究得出結論：AlN晶格中的缺陷種類和氧原子濃度有關。

●當氧濃度低于 0.75%時，氧原子均勻散布在AlN晶格中，取代著AlN中氮原子的位置，鋁空穴伴隨而生；

●當氧濃度不低于 0.75%時，AlN晶格中的鋁原子的位置會發(fā)生變化，鋁空位消失，產(chǎn)生八面體缺陷；

★當氧原子濃度更高時，其晶格產(chǎn)生多型體、反演疇、含氧層錯等延展缺陷。以熱力學為切入點，研究發(fā)現(xiàn)氮化鋁晶格中氧的量受鋁酸鹽反應吉布斯自由能|ΔG°|的影響，|ΔG°|越大，氮化鋁晶格中的氧越少，因而就會有更高的熱導率。

總結：

由此可見AlN的熱導率受氧雜質的影響較為嚴重，氧雜質的存在是其熱導率降低的重要原因。

合適的燒結助劑可實現(xiàn)提高熱導率

為了提高AlN熱率，通常會選擇在燒結時加入所需的助燒劑以達到降低燒結溫度、去除晶格中的氧進而實現(xiàn)提高 AlN 熱導率的目的。

目前關注較多的是多元復合燒結助劑的添加，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，在AlN中增加復合助燒劑Y₂O₃-Li₂O、Y₂O₃-CaC₂、Y₂O₃-CaF₂、Y₂O₃-Dy₂O₃時，可以獲得較為致密、氧雜質及第二相均較少的AlN樣品。

總結：

選擇合適的復合體系的燒結助劑可以實現(xiàn)AlN較低的燒結溫度和有效凈化晶界，獲得具有較高熱導率的AlN。

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