مدونة

 

AlN هو مركب رابطة تساهمية مستقر مع بنية ورزيت سداسية ولا يوجد أي أشكال متماثلة أخرى. يتكون هيكلها البلوري من رباعي السطوح AlN4 الناتج عن تحويل ذرات الألومنيوم وذرات النيتروجين المجاورة. المجموعة الفضائية هي P63mc، تنتمي إلى النظام السداسي.

رسم تخطيطي للهيكل البلوري AlN

 

الخصائص الرئيسية للسيراميك AlN

(1) الموصلية الحرارية العالية، 5-10 مرات من سيراميك الألومينا؛

(2) معامل التمدد الحراري (4.3×10-6/°C) يطابق مادة السيليكون شبه الموصلة (3.5-4.0×10-6/°C);

(3) خصائص ميكانيكية جيدة؛

(4) أداء كهربائي ممتاز، مع مقاومة عزل عالية جدًا وفقدان عازل منخفض؛

(5) يمكن تنفيذ الأسلاك متعددة الطبقات لتحقيق كثافة عالية وتصغير العبوة؛

(6) غير سامة، تساعد على حماية البيئة.

 

العوامل المختلفة المؤثرة على التوصيل الحراري للركيزة الخزفية AlN

عند 300 كلفن، تصل الموصلية الحرارية النظرية لمادة AlN البلورية الأحادية إلى 319 وات/(م·ك)، ولكن في عملية الإنتاج الفعلية، بسبب نقاء المادة، والعيوب الداخلية (الخلع، والمسامية، والشوائب، وتشويه الشبكة ) ، واتجاه الحبوب وعملية التلبيد وعوامل أخرى، ستتأثر أيضًا الموصلية الحرارية، وغالبًا ما تكون أقل من القيمة النظرية.

العوامل المؤثرة على التوصيل الحراري لسيراميك AlN

 

تأثير البنية المجهرية على التوصيل الحراري

آلية التوصيل الحراري لبلورة AlN المفردة هي نقل حرارة الفونون، لذلك قد تتأثر التوصيل الحراري لركيزة AlN  بشكل أساسي بالتحكم في التشتت لحدود البلورة والواجهة والمرحلة الثانية والعيوب والإلكترون والفونون نفسه. وفقًا لنظرية الاهتزاز الصلب الشبكي، فإن العلاقة بين تشتت الفونون والتوصيل الحراري π هي كما يلي:

α=l/3cv، حيث c هي السعة الحرارية، وv هو متوسط ​​سرعة الفونونات، وl هو متوسط ​​المسار الحر للفونونات.

من الصيغة المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن الموصلية الحرارية lect لنتريد الألومنيوم تتناسب مع متوسط ​​المسار الحر l للفونونات، وكلما زاد حجم l، زادت الموصلية الحرارية. من منظور البنية المجهرية، فإن التفاعل بين الفونونات والفونونات، والتفاعل بين الفونونات والشوائب وعيوب حدود الحبوب سوف يسبب التشتت، مما سيؤثر على المسار الحر المتوسط ​​للفونونات، وبالتالي يؤثر على التوصيل الحراري.

البنية المجهرية لـ AlN لها تأثير كبير على التوصيل الحراري. من أجل الحصول على ركيزة نيتريد الألومنيوم مع الموصلية الحرارية العالية، فمن الضروري تقليل عيوب بلورات نيتريد الألومنيوم ومحتوى الشوائب.

 

تأثير محتوى شوائب الأكسجين على التوصيل الحراري

تشير الدراسات إلى أن AlN له علاقة قوية بالأكسجين ويسهل أكسدته، مما يؤدي إلى ظهور طبقة ألومينا على سطحه. بسبب ذوبان ذرات الأكسجين في Al2O3، فإنه يحل محل موضع ذرات النيتروجين في AlN، مما يؤدي إلى شغور الألومنيوم وتشكيل خلل في الأكسجين. رد الفعل المحدد هو كما يلي:

Al2O3 → 2Al+3O، حيث ON هو الموضع الذي تحل فيه ذرات الأكسجين محل النيتروجين في شبكة نيتريد الألومنيوم، و VAl هو المكان الشاغر للألمنيوم.

يؤدي شغور الألومنيوم الناتج إلى تشتيت الفونونات، مما يؤدي إلى انخفاض في متوسط ​​المسار الحر للفونونات، وبالتالي تنخفض أيضًا الموصلية الحرارية للركيزة AlN.

نستنتج أن أنواع العيوب في شبكة AlN ترتبط بتركيز ذرات الأكسجين.

عندما يكون تركيز الأكسجين أقل من 0.75%، يتم توزيع ذرات الأكسجين بالتساوي في شبكة AlN، لتحل محل ذرات النيتروجين في AlN، ويتم تشكيل ثقوب الألومنيوم.

عندما لا يقل تركيز الأكسجين عن 0.75%، فإن موضع ذرات الألومنيوم في شبكة AlN سوف يتغير، وسوف يختفي فراغ الألومنيوم، مما يؤدي إلى عيوب ثماني السطوح.

عندما يكون تركيز ذرات الأكسجين أعلى، ستنتج الشبكة العديد من الأنواع، ومجالات الانعكاس، وأخطاء الطبقة المحتوية على الأكسجين وعيوب الامتداد الأخرى. بأخذ الديناميكا الحرارية كنقطة انطلاق، وجد أن كمية الأكسجين في شبكة نيتريد الألومنيوم تتأثر بالطاقة الحرة لتفاعل الألومينات |ΔG°|. كلما زاد |ΔG°|، قل الأكسجين في شبكة نيتريد الألومنيوم، وبالتالي زادت الموصلية الحرارية.

ويمكن ملاحظة أن التوصيل الحراري لـ AlN يتأثر بشكل خطير بشوائب الأكسجين، ووجود شوائب الأكسجين سبب مهم لانخفاض موصليته الحرارية.

 

تضمن إضافات التلبيد المناسبة تحسين التوصيل الحراري

من أجل تحسين المعدل الحراري لـ AlN، تتم عادةً إضافة مساعد التلبيد المطلوب أثناء التلبيد لتقليل درجة حرارة التلبيد وإزالة الأكسجين في الشبكة، وبالتالي تحقيق الغرض المتمثل في زيادة التوصيل الحراري لـ AlN.

في الوقت الحاضر، يتم إيلاء المزيد من الاهتمام لإضافة إضافات تلبيد مركبة متعددة المكونات. لقد وجدت التجارب أنه عند إضافة مساعدات التلبيد المركبة Y2O3-Li2O، Y2O3-CaC2، Y2O3-CaF2 وY2O3-Dy2O3 إلى AlN، يمكن الحصول على عينات AlN كثيفة نسبيًا مع شوائب أكسجين أقل ومرحلة ثانية.

يمكن لإضافات التلبيد المناسبة للنظام المركب أن تحقق درجة حرارة تلبيد منخفضة لـ AlN وتنقية حدود الحبوب بشكل فعال، وتحصل على AlN بموصلية حرارية عالية.