새로운 유형의 전자 장치 포장 재료인 AlN 세라믹은 높은 열전도율과 강도, 낮은 열팽창 계수 및 유전 손실, 고온 및 화학적 내식성, 우수한 절연성 및 무독성 환경 보호 기능을 갖추고 있습니다. 따라서 국내외 cnsensus에서 가장 유망한 세라믹 소재 중 하나입니다.
질화알루미늄 세라믹 기판, 고전력, 고연 및 대형 칩 패키징에 이상적인 소재인 열전도율은 업계의 관심 대상이었습니다. 상용 AlN 기판의 현재 열전도도는 이론적인 열전도도와 여전히 큰 차이가 있습니다. 따라서 AlN 세라믹의 소결 온도를 낮추면서 AlN 세라믹 기판의 더 높은 열전도율을 향상시키는 것은 전자 장치의 급속한 발전에 매우 중요합니다.
보다 높은 열전도도를 갖는 질화알루미늄 기판을 제조하기 위해서는 어떤 요인이 열전도도에 영향을 미치는지 조사할 필요가 있다.
열전도 메커니즘
열전도율은 열 전도 능력을 측정하기 위한 열전도성 재료의 가장 중요한 특성 중 하나입니다. 공유 결합 화합물이며 내부에 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 없기 때문에 열의 전달은 격자 진동의 형태로 이루어지며, 이를 포논 열 전달이라고 합니다. 결정의 고온 부분은 에너지가 높고 저온 부분은 에너지가 낮습니다. 에너지는 포노 간의 상호 작용을 통해 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달되며, 에너지의 이동은 열 전도로 이어집니다.
포논 열 전달
격자 내부의 원자는 스프링(공유 결합)으로 서로 연결된 작은 공으로 보여 각 원자의 진동이 주변 원자를 끌어당겨 탄성파의 형태로 결정을 통과해야 합니다. 이 격자 진동은 진동을 전달하기 위해 상호 작용하는 포논이라고 하는 양자 에너지를 생성하여 에너지 이동 및 열 전달을 허용합니다.
포논 열 전달에서 열전도도 K에 대한 관계는 다음과 같이 제공됩니다.
위의 c는 세라믹 본체 자체의 열용량, v는 포논 운동의 평균 속도, λ는 포논의 평균 자유 범위입니다. 재료 자체의 열용량(c)은 일정에 가깝고, 질화알루미늄의 열용량이 크기 때문에 질화알루미늄이 열전도율이 높은 이유 중 하나입니다. 포논 속도(v)는 결정 밀도와 탄성 기계적 성질과 관련이 있을 뿐 상수로 간주할 수 있으므로 포논의 전파 거리가 최종 거시적 알루미늄의 열전도 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 질화물 세라믹.
따라서 질화알루미늄 내부의 포논의 열전도 메커니즘을 통해 열전도율을 높이려면 포논이 더 멀리 전파되도록 하여 포논 확산 시 다양한 산란에 의한 전파 저항을 줄여야 함을 알 수 있다. 소결된 세라믹은 일반적으로 다양한 결정 결함, 불순물, 다공성 및 내부에 도입된 2차 상을 가지며, 이는 포논을 산란시켜 최종 열전도도에 영향을 미칩니다.
열전도율에 영향을 미치는 주요 요인
지속적인 연구를 통해 AlN 세라믹의 열전도도에 영향을 미치는 많은 요인 중 AlN 세라믹의 미세구조와 산소 불순물 함량이 특히 두드러진다는 사실을 확인했습니다.
(1) AlN 세라믹의 미세구조가 열전도도에 미치는 영향.
실제 응용 분야에서는 소결 온도를 낮추기 위해 AlN에 다양한 소결 조제를 첨가하는 경우가 많습니다. 동시에 AlN 격자에 두 번째 상이 도입되어 열전도 과정에서 포논의 산란으로 인해 열전도도가 감소합니다.
소결 보조제의 첨가에 의해 도입된 두 번째 단계는 여러 가지 방식으로 발생할 수 있습니다. 분포 측면에서 결정립계에서 섬과 연속 분포로 나눌 수 있습니다. 분포 위치에 따라 입계 삼각형 분포와 입계 기타 위치로 나눌 수 있습니다. Continuouslu 분산 입자는 포논에 대한 직접적인 접근을 제공할 수 있으며 AlN 입자와의 직접 접촉은 고립된 AlN 입자보다 열전도율이 더 높으므로 두 번째 단계가 연속적으로 분포되는 것이 더 좋습니다. 입계 삼각형에 분포된 AlN 세라믹은 열전도 중에 간섭 산란이 적고 AlN 입자 사이의 접촉을 유지할 수 있으므로 두 번째 상이 연속적으로 분포되는 것이 좋습니다. 입계 삼각형에 분포된 AlN 세라믹은 열전도 시 간섭 산란이 적고 AlN 입계 간의 접촉을 유지할 수 있으므로 두 번째 상이 입계 삼각형에 분포하는 것이 좋습니다.
두 번째 단계 분포의 개략도Aln 크리스탈 내에서
또한, 유사한 입계의 불균일한 분포는 많은 수의 기공을 발생시켜 포논의 산란을 방해하고 AlN의 열전도도를 감소시킨다. 결정립계 함량, 결정립계 크기 및 기공률도 열전도도 성능에 영향을 미칩니다.
따라서 AlN 세라믹스의 소결시 소결온도 상승, 유지시간 연장, 열처리 등의 방법으로 소결공정을 개선하여 AlN 세라믹스의 열전도도를 향상시켜 결정의 내부결함을 개선하고 두 번째 상이 연속적으로 분포되고 가능한 한 삼방 결정립계에 위치하도록 합니다.
(2) 열전도율에 대한 산소 불순물의 영향.
AlN은 가수분해 및 산화에 매우 민감하여 질화알루미늄 표면의 산화를 일으켜 산소 고용체에서 AlN 격자로의 알루미늄 빈자리 결함을 형성합니다. 그리고 그것은 포논 산란의 증가, 평균 자유 범위의 감소, 결과적으로 열전도도의 감소로 이어집니다.
산소 함량(wt%)
열전도율(W/m·K)
0.31
130
0.24
146
0.19
165
0.13
171
0.12
185
AlN 격자의 산소 함량 및 열전도도
따라서 열전도도를 향상시키기 위해서는 적절한 소결조제를 첨가하여 격자 내의 산소 불순물을 제거하는 것이 효과적인 접근방법이다.
소결을 위한 주요 제어 요소
AlN은 원자의 자기확산계수가 작고 결합에너지가 강하여 치밀하게 소결하기 어려운 공유결합 화합물이다. 녹는점은 3000℃ 이상이며 소결온도는 1900℃ 이상이다. 이러한 높은 소결 온도는 산업에서 AlN의 실용적인 적용을 심각하게 제한합니다.
또한, AlN 표층의 산소 불순물은 고온에서만 격자 내부로 확산되기 시작하므로 저온 소결은 표면층의 산소 불순물이 소결 시 AlN 격자 내부를 보호하고 격자 내 산소 불순물을 감소시키기 위해 열전도율이 높은 AlN 세라믹 재료를 제조하기 위해서는 저온 소결 기술에 대한 연구가 필수적이다.
현재 업계에서 AlN 세라믹을 소결하는 다양한 방법이 있으며 실제 필요에 따라 밀도가 높은 세라믹 본체를 얻기 위해 다양한 소결 방법을 채택할 수 있습니다. 소결 방법에 관계없이 원래 AlN 분말을 정제하고 적절한 저온 소결 첨가제를 추가하면 효과적으로 줄일 수 있습니다.질화알루미늄 세라믹스의 소결 온도.
(1) 입자가 작은 질화알루미늄 분말 사용
질화알루미늄 소결 공정의 구동력은 표면 에너지이며, 소결 공정을 향상시킬 수 있는 세립 AlN 분말은 표면 에너지이며, 세립 AlN 분말은 소결 활성을 향상시키고 소결 구동력을 증가시켜 소결을 가속화할 수 있다 프로세스. 연구에 따르면 원래 AlN 분말의 시작 입자 크기가 20배 작을 때 세라믹의 소결 속도가 147배 증가한다는 사실이 확인되었습니다.
소결 원료는 입자 크기가 작고 분포가 균일한 질화알루미늄 분말 중에서 선택해야 2차 재결정화를 방지할 수 있으며, 큰 내부 입자는 치밀화 소결에 도움이 되지 않는 비정상적인 입자 성장을 일으키기 쉽습니다. 입자가 균일하게 분포되지 않으면 소결 과정에서 개별 결정이 비정상적으로 성장하여 소결에 영향을 미치기 쉽습니다.
질화 알루미늄 입자 성장
때때로 질화알루미늄 세라믹의 소결 메커니즘은 원래 분말의 크기에 의해 영향을 받습니다. 미크론 크기의 질화알루미늄 분말은 벌크 확산 메커니즘에 따라 소결되며, 나노미터 크기의 분말은 입계 확산 또는 표면 확산 메커니즘에 따라 소결됩니다.
그러나 현재로서는 미세하고 균일한 AlN 분말의 제조가 매우 어려우며, 대부분 탄소열환원법과 결합된 습식화학법으로 제조되어 소결공정이 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 세라믹스용 저온 소결 첨가제의 선정
소결 공정에서 저융점 소결 첨가제를 첨가함으로써 조밀한 소결을 촉진하기 위해 액상을 생성할 수 있습니다. 또한 일부 소결 첨가제는 액상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 격자의 산소 불순물과 반응하여 격자를 정화하기 위해 산소 불순물을 제거하는 역할을 할 수 있습니다.AlN 세라믹의 열전도율.
소결첨가제의 작용과정 개략도
그러나 소결 첨가제는 맹목적으로 첨가해서는 안되며, 첨가량이 적절해야 하며, 그렇지 않으면 악영향을 미칠 수 있습니다. 소결 첨가제는 두 번째 단계를 도입하고 두 번째 단계의 분포 제어는 열전도율에 큰 영향을 미칩니다.
연구 후, AlN 세라믹용 저온 소결 첨가제 선택 시 다음 사항을 참조해야 합니다.
1) 첨가제는 융점이 낮고 낮은 소결 온도에서 액상을 형성할 수 있으며 액상을 통한 소결을 촉진할 수 있습니다.
2) 첨가제는 Al2O3와 반응하여 산소 불순물을 제거하고 AlN 격자를 정화하여 열전도도를 향상시킬 수 있습니다.
3) 첨가제는 AlN과 반응하지 않아 결함 발생을 방지합니다.
4) 첨가제는 AlN의 분해 및 산화를 유도하여 Al2O3 및 AlON을 생성하지 않아 질화알루미늄 세라믹스의 열전도도가 급격히 감소하는 것을 방지합니다.
소결 첨가제로 적합한 것으로 밝혀진 재료는 AlN과 반응하지 않는 Y2O3, CaO, Li2O, BaO, MgO, SrO2, La2O3, HfO2 및 CeO2이며, 희토류 금속 및 알칼리 토금속의 일부 불화물과 환원 특성을 가진 소수의 화합물(CaC2, YC2, TiO2, ZrO2, TiN 등).
단일 소결 첨가제만을 사용하여 대기압에서 소결하려면 일반적으로 1800°C 이상의 온도가 필요합니다. 복합 첨가제를 사용하고 합리적인 첨가제 및 비율을 설계하면 소결 온도를 효과적으로 낮출 수 있으며 현재 질화 알루미늄의 저온 소결에 일반적으로 사용되는 방법이기도 합니다.
요약
질화알루미늄 세라믹 기판 전자 패키징 응용 분야는 점점 더 널리 퍼지고 있으며 이 분야에 일부 국내 기업도 건설되었지만 해외 시장의 홍해와 비교할 때 중국의 질화알루미늄 세라믹 기판 개발은 아직 초기 단계에 있는 고성능 분말 및 고열전도 기판의 준비 및 생산에는 여전히 일정한 격차가 있습니다. 중국의 세라믹 기판 산업을 더 높은 수준으로 만들기 위해 올바른 약의 뿌리에서 재료의 메커니즘에 대한 심층적 인 이해.
참조:
고전력 LED를 위한 높은 열전도율을 갖는 AIN 세라믹스 기판의 제조 및 패키징, 중국 지량대학교 리홍웨이 교수.