AlN は、六方ウルツ鉱構造を持ち、他の同形を持たない安定した共有結合化合物です。その結晶構造は、アルミニウム原子と隣接する窒素原子の変換によって生成される AlN4 四面体で構成されています。空間群は P63mc で、六方晶系に属します。
AlN結晶構造の模式図
AlNセラミックスの主な特徴
（１）熱伝導率が高く、アルミナセラミックスの5～10倍。
（２）熱膨張係数（4.3×10-6/℃）は半導体シリコン材料（3.5-4.0×10-6/℃）と一致する。
（３）優れた機械的性質
（４）優れた電気性能を有し、絶縁抵抗が非常に高く、誘電損失が低い。
（５）多層配線が可能となり、高密度実装と小型化が実現できる。
（６）無毒で環境保護に有効。
AlNセラミック基板の熱伝導率に影響を与えるさまざまな要因
300K では、AlN 単結晶材料の理論上の熱伝導率は 319W/(m·K) と高くなりますが、実際の製造プロセスでは、材料の純度、内部欠陥 (転位、多孔性、不純物、格子歪み)、結晶配向、焼結プロセスなどの要因により、熱伝導率も影響を受け、理論値よりも低くなることがよくあります。
AlNセラミックスの熱伝導率に影響を与える要因
微細構造が熱伝導率に与える影響
単結晶 AlN の熱伝導メカニズムはフォノン熱伝達であるため、 AlN 基板の熱伝導率は 主に結晶境界、界面、第 2 相、欠陥、電子、フォノン自体の散乱制御によって影響を受ける可能性があります。格子固体振動理論によると、フォノン散乱と熱伝導率 λ の関係は次のとおりです。
λ=l/3cv、ここでcは熱容量、vはフォノンの平均速度、lはフォノンの平均自由行程です。
上記の式から、窒化アルミニウムの熱伝導率λはフォノンの平均自由行程lに比例し、lが大きいほど熱伝導率が高くなることがわかります。微細構造の観点から見ると、フォノンとフォノンの相互作用、フォノンと不純物の相互作用、粒界欠陥によって散乱が発生し、フォノンの平均自由行程に影響を与え、熱伝導率に影響を与えます。
AlNの微細構造は熱伝導率に大きな影響を与えます。高熱伝導率の窒化アルミニウム基板を得るためには、窒化アルミニウム結晶の欠陥や不純物含有量を最小限に抑える必要があります。
酸素不純物含有量が熱伝導率に与える影響
研究によると、AlNは酸素との親和性が強く、酸化されやすいため、表面にアルミナ膜が形成されます。Al2O3の酸素原子の溶解により、AlNの窒素原子の位置が置き換えられ、アルミニウムの空孔が生じ、酸素欠陥が形成されます。具体的な反応は次のとおりです。
Al2O3→2Al+3O、ここでONは窒化アルミニウム格子内で酸素原子が窒素を置換する位置であり、VAlはアルミニウムの空孔である。
結果として生じるアルミニウム空孔はフォノンを散乱させ、フォノンの平均自由行程を減少させるため、AlN 基板の熱伝導率も減少します。
AlN 格子の欠陥の種類は酸素原子の濃度に関連していると結論付けられます。
酸素濃度が 0.75% 未満の場合、酸素原子が AlN 格子内に均一に分散し、AlN 内の窒素原子と置き換わり、アルミニウムの穴が形成されます。
酸素濃度が 0.75% 以上になると、AlN 格子内のアルミニウム原子の位置が変化し、アルミニウム空孔が消失して八面体欠陥が発生します。
酸素原子の濃度が高くなると、格子は反転ドメイン、酸素含有層欠陥、その他の伸長欠陥など、さまざまなタイプを生成します。熱力学を出発点として、窒化アルミニウム格子内の酸素量は、アルミナ反応のギブス自由エネルギー|ΔG°|の影響を受けることがわかります。|ΔG°|が大きいほど、窒化アルミニウム格子内の酸素が少なくなり、熱伝導率が高くなります。
AlN の熱伝導率は酸素不純物によって深刻な影響を受けており、酸素不純物の存在が熱伝導率の低下の重要な原因であることがわかります。
適切な焼結添加剤は熱伝導率の向上を保証します
AlN の熱速度を向上させるために、通常、焼結中に必要な焼結助剤が添加され、焼結温度が下がり、格子内の酸素が除去され、AlN の熱伝導率を高める目的が達成されます。
現在、多成分複合焼結助剤の添加に注目が集まっています。実験により、AlNに複合焼結助剤Y2O3-Li2O、Y2O3-CaC2、Y2O3-CaF2、Y2O3-Dy2O3を添加すると、酸素不純物と第二相が少ない比較的密度の高いAlNサンプルが得られることがわかりました。
複合システムの適切な焼結添加剤は、AlN の焼結温度を低く抑え、粒界を効果的に精製し、高い熱伝導率を持つ AlN を得ることができます。
