Quels sont les facteurs qui affectent la conductivité thermique des céramiques AlN ?

Avantages uniques de la céramique au nitrure d'aluminium

Par rapport aux céramiques conventionnelles à base d'alumine (Al₂O₃), céramiques en nitrure d'aluminium (AlN) offrent les avantages distinctifs suivants :

L'avantage le plus significatif de l'AlN est sa conductivité thermique extrêmement élevée, avec une valeur théorique atteignant 320 W/(m·K), soit 5 à 10 fois celle de l'alumine. Cela signifie que, dans les mêmes conditions de fonctionnement, la céramique AlN peut supporter des densités de flux thermique plus élevées. Utilisée comme substrat ou boîtier d'encapsulation, la céramique AlN est particulièrement avantageuse pour la dissipation thermique des puces ou modules haute puissance. Lorsqu'elle est transformée en éléments chauffants métal-céramique AlN (Éléments chauffants en céramique AlN), ils permettent un chauffage rapide. Une fois transformés en mandrins électrostatiques (Electro-Static Chucks), ils permettent un préchauffage/chauffage rapide des plaquettes adsorbées.

L'AlN présente un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) de seulement 4,3 ppm/K, proche de celui des puces de silicium (3,5–4,0 ppm/K). Cela signifie qu'il existe un degré élevé et naturel de dilatation thermique entre les puces de silicium et les céramiques AlN, améliorant ainsi la fiabilité du conditionnement.

De plus, les céramiques AlN présentent des propriétés mécaniques, des performances électriques et une résistance à la corrosion comparables à celles des céramiques d'alumine.

Les céramiques AlN combinent une conductivité thermique élevée, une faible dilatation thermique, une résistance élevée et une résistance à la corrosion chimique, ce qui en fait des matériaux de dissipation thermique idéaux, en particulier pour les applications dans les circuits intégrés à grande échelle et les appareils électroniques hautes performances.

Facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques AlN

Les céramiques AlN étant des solides isolants, les contributions du transfert de chaleur des électrons et des photons sont négligeables. Leur principal mécanisme de transfert de chaleur est la conduction phononique (vibration du réseau). Les liaisons Al-N des céramiques AlN présentent une énergie de liaison élevée et des longueurs de liaison courtes, ce qui entraîne des vitesses de propagation des phonons élevées, ce qui explique leur conductivité thermique élevée.

Bien que la conductivité thermique théorique de l'AlN puisse atteindre 320 W/(m·K), seules quelques entreprises produisent actuellement des céramiques AlN dont la conductivité thermique peut atteindre 230 W/(m·K). En général, la conductivité thermique réelle des produits commerciaux se situe entre 150 et 180 W/(m·K). Les facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques AlN sont les suivants :

D'un point de vue microscopique, les joints de grains, les interfaces, les phases secondaires, les défauts et la diffusion des phonons dans la structure cristalline influencent tous la transmission des phonons. L'expérience montre que les principaux facteurs affectant la conductivité thermique des céramiques AlN sont la densité du réseau, la teneur en oxygène, la pureté de la poudre brute et la microstructure.

1、Densité

Les échantillons de faible densité contiennent de nombreux pores, qui dispersent les phonons et réduisent leur libre parcours moyen, diminuant ainsi la conductivité thermique des céramiques AlN. De plus, les échantillons de faible densité peuvent ne pas satisfaire aux exigences de performances mécaniques de certaines applications.

2、Teneur en oxygène

En raison de la forte affinité entre l'AlN et l'oxygène, la surface de l'AlN s'oxyde facilement lorsqu'elle est exposée à l'air ou à l'humidité, formant un film d'alumine. Cela introduit des lacunes d'aluminium et des défauts d'oxygène, qui peuvent se diffuser dans le réseau d'AlN lors du frittage. Une fois ces défauts propagés dans le réseau cristallin d'AlN, le libre parcours moyen des phonons diminue, entraînant une baisse de la conductivité thermique.

3、Défauts de réseau

Des recherches ont montré que les types de défauts dans les réseaux AlN (céramique en nitrure d’aluminium) sont liés à la concentration en atomes d’oxygène.

Lorsque la concentration en oxygène est inférieure à 0,75 %, les atomes d'oxygène sont uniformément dispersés dans le réseau AlN, remplaçant les atomes d'azote et générant des lacunes d'aluminium.

Lorsque la concentration en oxygène est de 0,75 % ou plus, les positions des atomes d'aluminium dans le réseau AlN se déplacent, éliminant les lacunes d'aluminium et créant des défauts octaédriques.

À des concentrations d'oxygène plus élevées, le réseau développe des défauts étendus tels que des polytypes, des domaines d'inversion et des défauts d'empilement contenant de l'oxygène.

Mesures visant à améliorer la conductivité thermique des céramiques AlN

1、Augmenter la densité

Utilisez des poudres micro/nano à grains fins et hautement frittables, incorporez des auxiliaires de frittage ou employez des méthodes de frittage assisté par physique à haute énergie pour améliorer la densité frittée des céramiques.

2、Réduire la teneur en oxygène et les défauts internes

Sélectionner des poudres brutes de haute pureté et à faible teneur en oxygène. Veiller à ce que le stockage des poudres brutes et le formage des produits semi-finis évitent toute exposition à l'humidité. Contrôler strictement les niveaux d'oxygène lors du frittage sous atmosphère.

À propos Technologie Xiamen Juci

Xiamen Juci Technology est le leader Poudre d'AlN et fabrication de céramiques AlN En Chine. Nos produits se caractérisent par une excellente conductivité thermique, une isolation électrique et une résistance mécanique exceptionnelles. Ils sont largement utilisés dans les encapsulations électroniques, les semi-conducteurs, la dissipation thermique des LED et d'autres domaines. Grâce à des procédés de fabrication avancés et à un contrôle qualité rigoureux, nous offrons une fiabilité élevée. Substrats AlN, des composants structurels et des solutions sur mesure pour soutenir les industries de fabrication de pointe.

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