لفترة طويلة، كانت معظم المواد الأساسية للدوائر المتكاملة الهجينة عالية الطاقة تستخدم سيراميك Al2O3 وBeO، لكن الموصلية الحرارية للركيزة Al2O3 منخفضة، ومعامل التمدد الحراري غير متطابق جيدًا مع Si. على الرغم من أن الأداء الشامل لـ BeO ممتاز، إلا أن تكلفة إنتاجه العالية وعيوبه شديدة السمية تحد من تطبيقه والترويج له. لذلك، من حيث الأداء والتكلفة وعوامل حماية البيئة، لا يستطيع الاثنان تلبية احتياجات أجهزة الطاقة الإلكترونية الحديثة وتطويرها.
يتمتع سيراميك نيتريد الألومنيوم بخصائص شاملة ممتازة، وهو جيل جديد من السيراميك المتقدم الذي كان موضع اهتمام على نطاق واسع في السنوات الأخيرة، ولديه مجموعة واسعة من آفاق التطبيق في العديد من الجوانب، وخاصة مزايا التوصيل الحراري العالي، وثابت العزل الكهربائي المنخفض ، فقدان عازل منخفض، عزل كهربائي ممتاز، معامل التمدد الحراري مطابق للسيليكون وغير سام. مما يجعلها مادة مثالية للوحات وحزم الدوائر المتكاملة عالية الكثافة والطاقة والسرعة.
تعتبر الموصلية الحرارية العالية هي السمة الأكثر أهمية لركيزة نيتريد الألومنيوم . الآلية الرئيسية هي: من خلال شبكة أو اهتزاز شعرية، أي من خلال موجة شعرية أو موجة حرارية نقل الحرارة.
سيراميك AlN عبارة عن مواد خزفية عازلة، بالنسبة للمواد الخزفية العازلة، يتم نقل الطاقة الحرارية عن طريق الاهتزاز الذري، الذي ينتمي إلى التوصيل الحراري الفونوني، تلعب الفونونات دورًا مهمًا في عملية التوصيل الحراري. يمكن نظريًا أن تصل الموصلية الحرارية لنتريد الألومنيوم إلى 320 وات/ (م·ك)، ما سبب هذه الفجوة؟
هناك شوائب وعيوب في نيتريد الألومنيوم، مما يؤدي إلى التوصيل الحراري لركيزة نيتريد الألومنيوم بعيدًا عن القيمة النظرية. عناصر الشوائب الموجودة في مسحوق نيتريد الألومنيوم هي بشكل رئيسي الأكسجين والكربون، وهناك أيضًا كمية صغيرة من شوائب أيونات المعادن، والتي تنتج أشكال عيوب مختلفة في الشبكة، كما أن تناثر هذه العيوب على الفونون سوف يقلل من التوصيل الحراري.
فما هي العوامل التي تؤثر على متوسط المسار الحر للفونونات؟
1. في عملية نقل الحرارة، فإن العيوب وحدود الحبوب والثقوب والإلكترونات والفونونات نفسها سوف تنتج تشتت الفونونات، مما يقلل من متوسط المسار الحر للفونونات ويؤثر بشكل أكبر على التوصيل الحراري.
يلعب الأكسجين الملوث وAl2O3 دورًا رئيسيًا في تشتت الخلل الصوتي.
1. نظرًا لأن AlN سهل التحلل المائي والأكسدة، يتم تشكيل طبقة من Al2O3 على السطح، ويتم إذابة Al2O3 في شبكة AlN لإنتاج شواغر الألومنيوم. 2. يتمتع AlN بألفة قوية مع الأكسجين، مما يسهل دخول شبكة نيتريد الألومنيوم، والأكسجين الموجود في الشبكة لديه قابلية ذوبان عالية للإزاحة، مما يسهل تكوين عيوب الأكسجين.
العلاقة بين العيوب في شبكة AlN وتركيز الأكسجين:
عندما يتم توزيع [O] <0.75% O بشكل موحد في شبكة AlN، فإنه يحتل موضع N في AlN ويرافقه شاغر Al.
عندما يتغير موضع ذرة [O] ≥0.75% Al، يتم التخلص من شاغر Al في نفس الوقت، ويتشكل عيب ثماني السطوح.
عند التركيزات الأعلى، ستتشكل عيوب ممتدة، مثل عيوب الطبقة المحتوية على الأكسجين، ومجالات الانعكاس، والأجسام المتعددة، وما إلى ذلك.
إن وجود شوائب الأكسجين يؤثر بشكل خطير على التوصيل الحراري لـ AlN. يؤدي وجود عيوب الأكسجين إلى زيادة المقطع العرضي لمنطقة التشتت للفونونات ويقلل التوصيل الحراري لـ AlN.
لذلك فإن وجود شوائب الأكسجين يؤثر بشكل خطير على التوصيل الحراري لـ AlN، وهو العامل الرئيسي لتقليل التوصيل الحراري.
باختصار، فإن سيراميك نيتريد الألومنيوم بخصائصه الشاملة الفريدة، وخاصة الموصلية الحرارية العالية، وثابت العزل الكهربائي المنخفض، وفقدان العزل الكهربائي المنخفض، والعزل الكهربائي الممتاز والسيليكون المطابق لمعامل التمدد الحراري وخصائصه غير السمية، يصبح المادة المثالية للكثافة العالية الحديثة. ، لوحة دوائر متكاملة عالية الطاقة وعالية السرعة والتعبئة والتغليف. ومع ذلك، فإن التوصيل الحراري الفعلي لسيراميك نيتريد الألومنيوم غالبًا ما يكون أقل بكثير من قيمته النظرية، ويرجع ذلك أساسًا إلى وجود شوائب وعيوب في المادة، وخاصة شوائب الأكسجين، وتأثير التشتت على عملية نقل حرارة الفونون.
لا تدخل شوائب الأكسجين بسهولة إلى شبكة نيتريد الألومنيوم لتكوين عيوب الأكسجين فحسب، بل تسبب أيضًا تغييرات أكثر تعقيدًا في البنية البلورية عند التركيزات الأعلى، مثل عيوب ثماني السطوح، وأخطاء الطبقة المحتوية على الأكسجين، ومجالات الانعكاس، وما إلى ذلك، مما يقلل بشكل كبير من التوصيل الحراري من نيتريد الألومنيوم. لذلك، فإن تحسين عملية تحضير سيراميك النيتريد، وتقليل محتوى شوائب الأكسجين والتحكم في تكوين العيوب البلورية هي المفتاح لتحسين التوصيل الحراري لسيراميك النيتريد.
نتطلع إلى المستقبل، مع التقدم المستمر في علوم المواد وتكنولوجيا التحضير، سيتم تحسين أداء سيراميك نيتريد الألومنيوم بشكل أكبر، وسيكون تطبيقه في لوحات الدوائر المتكاملة عالية الطاقة وغيرها من مجالات التكنولوجيا الفائقة أكثر واسعة ومتعمقة. وفي الوقت نفسه، فإن الدراسة المتعمقة حول آلية التوصيل الحراري والعوامل المؤثرة في سيراميك نيتريد الألومنيوم ستوفر أيضًا مرجعًا مهمًا لتطوير مواد خزفية متقدمة أخرى.
