질화알루미늄 세라믹 기판의 열전도율에 영향을 미치는 요인

새로운 유형의 전자 장치 포장 재료인 AlN 세라믹은 높은 열 전도성과 강도, 낮은 열팽창 계수 및 유전 손실, 고온 및 화학적 내식성, 우수한 절연성 및 무독성 환경 보호 기능을 갖추고 있습니다. 국내외 cnsensus가 선정한 가장 유망한 세라믹 소재 중 하나입니다.

고전력, 고납, 대형 칩 패키징에 이상적인 소재인 질화알루미늄 세라믹 기판은 업계에서 열전도율에 중점을 두고 있습니다. 상용 AlN 기판의 현재 열전도율은 이론적인 열전도율과 여전히 큰 격차를 보이고 있습니다. 따라서, AlN 세라믹 기판의 열전도율을 향상시키는 동시에 AlN 세라믹의 소결 온도를 낮추는 것은 전자소자의 급속한 발전에 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다.

보다 높은 열전도도를 갖는 질화알루미늄 기판을 제조하기 위해서는 어떤 요인이 열전도도에 영향을 미치는지 조사할 필요가 있다.

열전도 메커니즘

열전도율은 열 전도성을 측정하기 위한 열 전도성 재료의 가장 중요한 특성 중 하나입니다. 공유결합 화합물이며 내부에 자유롭게 이동할 수 있는 전자가 없으므로 격자 진동의 형태로 열 전달이 이루어지며, 이를 포논 열 전달이라고 합니다. 결정의 고온 부분은 에너지가 높고 저온 부분은 에너지가 낮습니다. 포노 간의 상호작용을 통해 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달되고, 에너지의 이동으로 인해 열이 전도됩니다.

포논 열 전달

격자 내부의 원자는 스프링(공유 결합)으로 서로 연결된 작은 공으로 표시되므로 각 원자의 진동은 주변 원자를 끌어당겨 탄성파의 형태로 결정을 통과하게 합니다. 이 격자 진동은 포논이라는 에너지 양자를 생성합니다. 포논은 진동을 전달하기 위해 상호 작용하여 에너지 이동과 열 전달을 가능하게 합니다.

포논 열 전달에서 열전도율 K에 대한 관계는 다음과 같이 제공됩니다.

위의 c는 세라믹 본체 자체의 열용량이고, v는 포논 운동의 평균 속도, λ는 포논의 평균 자유 범위입니다. 재료 자체의 열용량(c)은 일정에 가깝고, 질화알루미늄의 열용량이 크다는 것은 질화알루미늄의 열전도율이 높은 이유 중 하나이다. 포논 속도(v)는 결정 밀도와 탄성 기계적 특성에만 관련되며, 이는 상수로도 간주될 수 있으므로 포논의 전파 거리는 최종 거시적 알루미늄의 열전도 성능에 영향을 미치는 핵심입니다. 질화물 세라믹.

따라서 질화알루미늄 내부의 포논의 열전도 메커니즘을 통해 높은 열전도율을 위해서는 포논이 더 멀리 전파되도록 하여 포논 확산 중 다양한 산란으로 인해 일반적으로 발생하는 전파 저항을 줄여야 한다는 것이 분명합니다. 소결된 세라믹은 일반적으로 다양한 결정 결함, 불순물, 다공성을 가지며 내부에 2차 상이 도입되어 포논을 산란시켜 최종 열전도도에 영향을 미칩니다.

열전도도에 영향을 미치는 주요 요인

AlN 세라믹의 열전도도에 영향을 미치는 많은 요인 중 AlN 세라믹의 미세구조와 산소 불순물 함량이 특히 두드러진다는 사실이 지속적인 연구를 통해 확인되었습니다.

(1) AlN 세라믹의 미세구조가 열전도도에 미치는 영향.

실제 적용에서는 소결 온도를 낮추기 위해 다양한 소결 보조제를 AlN에 첨가하는 경우가 많습니다. 그리고 동시에 AlN 격자에 두 번째 상이 도입되어 열전도 과정에서 포논의 산란으로 인해 열전도도가 감소하게 됩니다.

소결 보조제의 첨가에 의해 도입된 두 번째 단계는 여러 방식으로 발생할 수 있습니다. 분포 측면에서 이는 결정립계에서 섬 및 연속 분포로 나눌 수 있습니다. 분포 위치는 결정립계 삼각형의 분포와 결정립계의 기타 위치로 나눌 수 있습니다. 연속적으로 분산된 입자는 포논에 더 직접적인 접근을 제공할 수 있으며 AlN 입자와 직접 접촉하면 격리된 AlN 입자보다 열전도율이 높으므로 두 번째 단계가 연속적으로 분포되는 것이 더 좋습니다. 결정립계 삼각형에 분포된 AlN 세라믹은 열전도 중 간섭 산란을 덜 발생시키고 AlN 결정립 사이의 접촉을 유지할 수 있으므로 두 번째 상이 연속적으로 분포되는 것이 더 좋습니다. 결정립계 삼각형에 분포된 AlN 세라믹은 열전도 시 간섭 산란이 적고 AlN 입자 간의 접촉을 유지할 수 있으므로 두 번째 상이 결정립계 삼각형에 분포하는 것이 더 좋습니다.

Aln 결정 내 두 번째 상의 분포에 대한 개략도

또한, 유사한 결정립계의 불균일한 분포로 인해 기공이 많이 존재하게 되어 포논의 산란을 방해하고 AlN의 열전도율을 감소시키는 결과를 가져온다. 결정립계 함량, 결정립계 크기 및 다공성도 열전도도 성능에 영향을 미칩니다.

따라서 AlN 세라믹스의 소결시 소결 온도를 높이고, 유지 시간을 연장하며, 결정 내부 결함을 개선하기 위한 열처리 등의 소결 공정을 개선함으로써 AlN 세라믹스의 열전도도를 향상시킬 수 있다. 두 번째 상이 연속적으로 분포되도록 하고 가능한 한 삼각 결정립 경계에 위치하도록 합니다.

(2) 산소 불순물이 열전도율에 미치는 영향.

AlN은 가수분해 및 산화에 매우 취약하여 질화알루미늄 표면이 산화되어 AlN 격자에 산소 고용체의 알루미늄 공극 결함이 형성됩니다. 그리고 이는 포논 산란의 증가, 평균 자유 범위의 감소, 결과적으로 열전도도의 감소로 이어집니다.

AlN 격자의 산소 함량 및 열전도도

따라서 열전도도를 향상시키기 위해서는 적절한 소결조제를 첨가하여 격자 내의 산소 불순물을 제거하는 것이 효과적인 접근 방식이다.

소결을 위한 주요 제어 요소

AlN은 공유결합 화합물로 원자의 자기확산계수가 작고 결합에너지가 강해 조밀하게 소결하기 어렵다. 녹는점은 최대 3000℃ 이상이며 소결 온도는 1900℃보다 훨씬 높습니다. 이러한 높은 소결 온도는 산업에서 AlN의 실제 적용을 심각하게 제한합니다.

또한 AlN 표면층의 산소 불순물은 고온에서만 격자 내부로 확산되기 시작하므로 저온 소결은 표면층의 산소 불순물이 격자 내부로 확산되는 것을 지연시키는 또 다른 기능을 가지고 있습니다. 따라서, 열전도도가 높은 AlN 세라믹 소재를 제조하기 위해서는 저온 소결 기술에 대한 연구가 필수적이다.

현재 업계에서는 AlN 세라믹을 소결하는 다양한 방법이 있으며, 실제 필요에 따라 치밀한 세라믹 본체를 얻기 위해 다양한 소결 방법을 채택할 수 있습니다. 소결 방법에 관계없이 원래의 AlN 분말을 정제하고 적절한 저온 소결 첨가제를 추가하면 AlN 분말을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 질화알루미늄 세라믹의 소결온도. 

(1) 소입경 질화알루미늄 분말을 사용하는 경우

질화알루미늄 소결공정의 원동력은 표면에너지이며, 세립 AlN 분말은 소결공정을 향상시킬 수 있으며, 세립 AlN 분말은 소결활성을 높이고 소결 추진력을 높여 소결을 가속시킬 수 있다. 프로세스. 연구에 따르면 원래 AlN 분말의 시작 입자 크기가 20배 더 작을 때 세라믹의 소결 속도는 147배 증가하는 것으로 확인되었습니다.

소결 원료는 입자 크기가 작고 분포가 균일한 질화알루미늄 분말 중에서 선택해야 하며, 이는 2차 재결정을 방지할 수 있고 내부 입자가 크면 치밀화 소결에 도움이 되지 않는 비정상적인 입자 성장이 발생하기 쉽습니다. 입자가 균일하게 분포되지 않으면 소결 과정에서 개별 결정이 비정상적으로 성장하기 쉽고 소결에 영향을 미칩니다.

질화알루미늄 입자 성장

때때로 질화알루미늄 세라믹의 소결 메커니즘은 원래 분말의 크기에 영향을 받습니다. 미크론 크기의 질화알루미늄 분말은 벌크 확산 메커니즘에 따라 소결되는 반면, 나노미터 크기의 분말은 입계 확산 또는 표면 확산 메커니즘에 따라 소결됩니다.

그러나 현재로서는 미세하고 균일한 AlN 분말의 제조가 매우 어려우며, 대부분 탄소 열환원법과 결합된 습식 화학적 방법으로 제조되는데, 이는 소결 공정이 복잡할 뿐만 아니라 에너지 소모가 크며, 대규모 홍보 및 적용에는 여전히 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 작은 입자 크기의 고성능 질화알루미늄 분말의 국내 공급은 여전히 매우 부족합니다.

(2) 질화알루미늄 세라믹용 저온 소결 첨가제의 선택

소결 공정에서 저융점 소결 첨가제를 첨가함으로써 액상을 생성하여 조밀한 소결을 촉진할 수 있습니다. 또한 일부 소결 첨가제는 액상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 격자 내의 산소 불순물과 반응하여 산소 불순물을 제거하여 격자를 정화하는 역할을 하여 AlN 세라믹의 열전도도를 향상시킬 수 있습니다.

소결첨가제의 작용과정 모식도

그러나 소결첨가제를 맹목적으로 첨가해서는 안 되며 첨가량도 적당해야 하며, 그렇지 않으면 해로운 영향을 미칠 수 있다. 소결 첨가제는 두 번째 단계를 도입하고 두 번째 단계의 분포 제어는 열전도도에 큰 영향을 미칩니다.

연구 후에 AlN 세라믹용 저온 소결 첨가제를 선택할 때 다음 사항을 참조해야 합니다.

1) 첨가제는 녹는점이 낮고, 낮은 소결 온도에서 액상을 형성할 수 있으며, 액상을 통해 소결을 촉진할 수 있다.

2) 첨가제는 Al2O3와 반응하여 산소 불순물을 제거하고 AlN 격자를 정화하여 열전도도를 향상시킬 수 있습니다.

3) 결함 발생을 피하기 위해 첨가제는 AlN과 반응하지 않습니다.

4) 첨가제는 AlN의 분해 및 산화를 유도하여 Al2O3 및 AlON을 생성하지 않으므로 질화알루미늄 세라믹의 열전도율이 급격히 감소하는 것을 방지합니다.

소결 첨가제로 적합한 것으로 밝혀진 재료는 AlN과 반응하지 않는 Y2O3, CaO, Li2O, BaO, MgO, SrO2, La2O3, HfO2 및 CeO2뿐만 아니라 희토류 금속 및 알칼리 토금속의 일부 불화물 및 환원 특성을 지닌 소수의 화합물(CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN 등).

단일 소결 첨가제만 사용하면 대기압에서 소결하려면 일반적으로 1800°C 이상의 온도가 필요합니다. 복합 첨가제를 사용하고 합리적인 첨가제와 비율을 설계하면 소결 온도를 더욱 효과적으로 낮출 수 있으며 현재 질화알루미늄의 저온 소결에 일반적으로 사용되는 방법이기도 합니다.

요약

질화알루미늄 세라믹 기판 전자 패키징 응용 분야가 점점 더 광범위해지고 있으며 이 분야에 국내 기업도 일부 설립되어 있습니다. 그러나 해외 시장의 오랜 홍해에 비해 중국의 질화알루미늄 세라믹 기판 개발은 아직 초기 단계에 있기 때문에 고성능 분말과 고열전도성 기판의 준비 및 생산에는 여전히 일정한 격차가 있습니다. 중국의 세라믹 기판 산업을 더 높은 수준으로 만들기 위해 올바른 약의 뿌리부터 재료의 메커니즘에 대한 심층적인 이해를 제공합니다.

참조:

고열전도도를 갖는 AIN 세라믹 기판의 제조 및 고출력 LED용 패키징, 중국 길량대학교 리홍웨이(Li Hongwei)

이 기사는 360powder.com에서 재인쇄되었습니다.