Welche Faktoren beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken?

Einzigartige Vorteile von Aluminiumnitridkeramik

Im Vergleich zu herkömmlicher Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) Aluminiumnitrid (AlN)-Keramik bieten folgende besondere Vorteile:

Der größte Vorteil von AlN ist seine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit. Der theoretische Wert erreicht 320 W/(m·K) und ist damit 5–10-mal höher als bei Aluminiumoxid. Das bedeutet, dass AlN-Keramiken unter gleichen Betriebsbedingungen höhere Wärmestromdichten aushalten können. Als Verpackungssubstrat oder Gehäuse eignen sich AlN-Keramiken besonders gut für die Wärmeableitung in Hochleistungschips oder -modulen. Bei der Verarbeitung zu AlN-Metall-Keramik-Heizelementen (AlN-Keramikheizgeräte), ermöglichen sie eine schnelle Erwärmung. elektrostatische Spannfutter (Elektrostatische Chucks) ermöglichen ein schnelles Vorwärmen/Erhitzen von adsorbierten Wafern.

AlN hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von nur 4,3 ppm/K, der dem von Siliziumchips (3,5–4,0 ppm/K) nahekommt. Dies bedeutet, dass eine natürliche, hohe Übereinstimmung der Wärmeausdehnung zwischen Siliziumchips und AlN-Keramik besteht, was die Zuverlässigkeit der Verpackung verbessert.

Darüber hinaus weisen AlN-Keramiken mechanische Eigenschaften, elektrische Leistung und Korrosionsbeständigkeit auf, die mit denen von Aluminiumoxidkeramik vergleichbar sind.

AlN-Keramiken vereinen hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung, hohe Festigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit und sind daher ideale Materialien zur Wärmeableitung, insbesondere für Anwendungen in hochintegrierten Schaltkreisen und elektronischen Hochleistungsgeräten.

Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken beeinflussen

Da AlN-Keramiken isolierende Feststoffe sind, sind die Beiträge der Elektronen- und Photonenwärmeübertragung vernachlässigbar. Ihr primärer Wärmeübertragungsmechanismus ist die Phononenleitung (Gitterschwingung). Die Al-N-Bindungen in AlN-Keramiken weisen eine hohe Bindungsenergie und kurze Bindungslängen auf, was zu hohen Phononenausbreitungsgeschwindigkeiten führt und ihre hohe Wärmeleitfähigkeit erklärt.

Obwohl die theoretische Wärmeleitfähigkeit von AlN 320 W/(m·K) erreichen kann, können derzeit nur wenige Unternehmen AlN-Keramiken mit Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 230 W/(m·K) herstellen. Die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit kommerzieller Produkte liegt typischerweise zwischen 150 und 180 W/(m·K). Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken wird von folgenden Faktoren beeinflusst:

Aus mikroskopischer Sicht beeinflussen Korngrenzen, Grenzflächen, Sekundärphasen, Defekte und Phononenstreuung in der Kristallstruktur die Phononenübertragung. Aus praktischer Erfahrung sind die Hauptfaktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken beeinflussen, Gitterdichte, Sauerstoffgehalt, Reinheit des Rohpulvers und Mikrostruktur.

1. Dichte

Proben mit geringer Dichte enthalten zahlreiche Poren, die Phononen streuen und deren mittlere freie Weglänge verringern, wodurch die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken sinkt. Darüber hinaus erfüllen Proben mit geringer Dichte möglicherweise nicht die mechanischen Leistungsanforderungen für bestimmte Anwendungen.

2. Sauerstoffgehalt

Aufgrund der starken Affinität zwischen AlN und Sauerstoff oxidiert die AlN-Oberfläche bei Kontakt mit Luft oder Feuchtigkeit leicht und bildet einen Aluminiumoxidfilm. Dadurch entstehen Aluminiumleerstellen und Sauerstoffdefekte, die beim Sintern in das AlN-Gitter diffundieren können. Sobald sich diese Defekte im AlN-Kristallnetzwerk ausbreiten, verringert sich die mittlere freie Weglänge der Phononen, was zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit führt.

3. Gitterdefekte

Untersuchungen haben ergeben, dass die Art der Defekte in AlN-Gittern (Aluminiumnitridkeramik) mit der Sauerstoffatomkonzentration zusammenhängt.

Wenn die Sauerstoffkonzentration unter 0,75 % liegt, werden Sauerstoffatome gleichmäßig im AlN-Gitter verteilt, ersetzen Stickstoffatome und erzeugen Aluminiumleerstellen.

Wenn die Sauerstoffkonzentration 0,75 % oder mehr beträgt, verschieben sich die Positionen der Aluminiumatome im AlN-Gitter, wodurch Aluminiumleerstellen eliminiert werden und oktaedrische Defekte entstehen.

Bei höheren Sauerstoffkonzentrationen entwickeln sich im Gitter ausgedehnte Defekte wie Polytypen, Inversionsdomänen und sauerstoffhaltige Stapelfehler.

Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramiken

1. Dichte erhöhen

Verwenden Sie feinkörnige, hochsinterbare Mikro-/Nanopulver, integrieren Sie Sinterhilfsmittel oder wenden Sie hochenergetische, physikalisch unterstützte Sintermethoden an, um die Sinterdichte der Keramik zu erhöhen.

2. Reduzieren Sie den Sauerstoffgehalt und interne Defekte

Wählen Sie hochreine, sauerstoffarme Rohpulver. Achten Sie darauf, dass die Lagerung der Rohpulver und die Herstellung von Halbzeugen nicht mit Feuchtigkeit in Berührung kommen. Kontrollieren Sie den Sauerstoffgehalt beim Atmosphärensintern streng.

Um Xiamen Juci Technologie

Xiamen Juci Technology ist der führende AlN-Pulver Und Herstellung von AlN-Keramik in China. Unsere Produkte zeichnen sich durch hervorragende Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit aus und werden häufig in der Elektronikverpackung, Halbleitertechnik, LED-Wärmeableitung und anderen Bereichen eingesetzt. Dank fortschrittlicher Fertigungsprozesse und strenger Qualitätskontrolle bieten wir hohe Zuverlässigkeit AlN-Substrate, Strukturkomponenten und maßgeschneiderte Lösungen zur Unterstützung fortschrittlicher Fertigungsindustrien.

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