長い間、高出力ハイブリッド集積回路の基板材料のほとんどには Al2O3 および BeO セラミックスが使用されてきましたが、Al2O3 基板の熱伝導率は低く、熱膨張係数は Si とあまり一致しません。 BeO の総合的な性能は優れていますが、高い生産コストと高い毒性の欠点により、その応用と普及が制限されています。したがって、性能、コスト、環境保護の要素から、この 2 つは現代の電子パワーデバイスや開発のニーズを満たすことができません。
窒化アルミニウムセラミックスは、優れた総合特性を有し、近年広く注目されている新世代の先端セラミックスであり、特に高熱伝導率、低誘電率という利点をはじめ、多くの面で幅広い応用の可能性を秘めています。 、低誘電損失、優れた電気絶縁性、シリコンと一致する熱膨張係数、非毒性。これは、高密度、高出力、高速の集積回路基板およびパッケージに理想的な材料となります。
高い熱伝導率は、窒化アルミニウム基板の最も重要な特徴である。主なメカニズムは、格子または格子振動による、つまり格子波または熱波による熱伝達です。
AlNセラミックは絶縁セラミック材料であり、絶縁セラミック材料の場合、熱エネルギーはフォノン熱伝導に属する原子振動によって伝達され、フォノンはその熱伝導プロセスにおいて重要な役割を果たします。窒化アルミニウムの熱伝導率は理論的には 320w/(m・k) に達しますが、このギャップは何が原因でしょうか?
窒化アルミニウムには不純物や欠陥が存在し、その結果、窒化アルミニウム基板の熱伝導率が理論値から大きく外れます。窒化アルミニウム粉末中の不純物元素は主に酸素と炭素であり、微量の金属イオン不純物も含まれており、これにより格子内に様々な欠陥が形成され、これらの欠陥がフォノン上で散乱することで熱伝導率が低下します。
それでは、フォノンの平均自由行程に影響を与える要因は何でしょうか?
1. 熱伝達プロセスでは、欠陥、粒界、正孔、電子、フォノン自体がフォノン散乱を生成し、それによってフォノンの平均自由行程が減少し、さらに熱伝導率に影響を与えます。
不純物酸素と Al2O3 はフォノン欠陥散乱に主要な役割を果たします。
1. AlN は加水分解および酸化しやすいため、表面に Al2O3 の層が形成され、Al2O3 が AlN 格子に溶解してアルミニウム空孔が生成されます。 2.AlNは酸素との親和力が強いため窒化アルミニウム格子に入りやすく、格子内の酸素の置換溶解度が高いため酸素欠陥が形成されやすい
。
AlN 格子の欠陥と酸素濃度の関係:
[O] <0.75% の O が AlN 格子内に均一に分布している場合、O は AlN 内の N の位置を占め、Al 空孔を伴います。
[O] ≥0.75% の Al 原子位置が変化すると、同時に Al 空孔が除去され、八面体欠陥が形成されます。
より高い濃度では、酸素含有層欠陥、反転ドメイン、ポリボディなどの拡張欠陥が形成されます。
酸素不純物の存在は、AlN の熱伝導率に重大な影響を与えます。酸素欠陥の存在により、フォノンの散乱領域断面積が増加し、AlN の熱伝導率が減少します。
[43]したがって、酸素不純物の存在は、AlN の熱伝導率に重大な影響を与え、これが熱伝導率低下の主な要因となる [44]。
要約すると、窒化アルミニウムセラミックは、その独特の総合特性、特に高熱伝導率、低誘電率、低誘電損失、優れた電気絶縁性、熱膨張係数と非毒性特性に一致するシリコンを備えており、現代の高密度にとって理想的な材料となります。 、高出力、高速の集積回路基板とパッケージング。しかし、窒化アルミニウムセラミックの実際の熱伝導率は理論値よりもはるかに低いことが多く、これは主に材料中の不純物や欠陥の存在、特に酸素不純物、フォノン熱伝達プロセスへの散乱効果によるものです。
酸素不純物は窒化アルミニウムの格子に容易に侵入して酸素欠陥を形成するだけでなく、高濃度では八面体欠陥、酸素含有層欠陥、反転ドメインなどのより複雑な結晶構造変化を引き起こし、熱伝導率を大幅に低下させます。窒化アルミニウムのこと。したがって、窒化アルミニウムセラミックの製造プロセスを最適化し、酸素不純物の含有量を減らし、結晶欠陥の形成を制御することが、窒化アルミニウムセラミックの熱伝導率を改善する鍵となる[50]。
