العوامل المؤثرة على التوصيل الحراري لركائز سيراميك نيتريد الألومنيوم

كنوع جديد من مواد تعبئة الأجهزة الإلكترونية، يتمتع سيراميك AlN بموصلية حرارية عالية وقوة، ومعامل منخفض للتمدد الحراري وفقدان العزل الكهربائي، ودرجة حرارة عالية ومقاومة للتآكل الكيميائي، وعزل جيد، وحماية بيئية غير سامة. لذلك فهي واحدة من أكثر المواد الخزفية الواعدة حسب الإجماع المحلي والدولي.

الركيزة الخزفية من نيتريد الألومنيوم، وهي مادة مثالية لتغليف الرقائق ذات الطاقة العالية والرصاص العالي والكبيرة الحجم، كانت الموصلية الحرارية هي محور اهتمام الصناعة. لا تزال الموصلية الحرارية الحالية لركيزة AlN التجارية من الموصلية الحرارية النظرية تمثل فجوة كبيرة. لذلك، فإن تحسين التوصيل الحراري العالي للركيزة الخزفية AlN مع تقليل درجة حرارة تلبيد سيراميك AlN له أهمية كبيرة للتطور السريع للأجهزة الإلكترونية.

من أجل تحضير ركائز نيتريد الألومنيوم ذات الموصلية الحرارية العالية، من الضروري التحقق من العوامل التي تؤثر على التوصيل الحراري.

آلية التوصيل الحراري

تعتبر الموصلية الحرارية من أهم خصائص المواد الموصلة للحرارة لقياس قدرة التوصيل الحراري. وهو مركب تساهمي ولا يحتوي بداخله على إلكترونات تتحرك بحرية، وبالتالي يتم نقل الحرارة على شكل اهتزازات شبكية، وهو ما يسمى نقل الحرارة الفونون. الجزء ذو درجة الحرارة المرتفعة من البلورة لديه طاقة عالية والجزء ذو درجة الحرارة المنخفضة لديه طاقة منخفضة. يتم نقل الطاقة من الأعلى إلى الأدنى من خلال التفاعل بين الفونونات، وتؤدي هجرة الطاقة إلى توصيل الحرارة.

نقل الحرارة فونون

وتُرى الذرات الموجودة داخل الشبكة على شكل كرات صغيرة، ترتبط ببعضها البعض بواسطة نوابض (روابط تساهمية)، بحيث يتعين على اهتزاز كل ذرة أن يسحب الذرات المحيطة بها ويمررها عبر البلورة على شكل موجات مرنة. يولد هذا الاهتزاز الشبكي كميات من الطاقة، تسمى الفونونات، والتي تتفاعل لنقل الاهتزازات، مما يسمح بانتقال الطاقة ونقل الحرارة.

يتم إعطاء العلاقة بين التوصيل الحراري K في نقل الحرارة الفونون بواسطة:

ما ورد أعلاه c هو السعة الحرارية للجسم الخزفي نفسه، v هو متوسط سرعة حركة الفونون، و lect هو متوسط المدى الحر للفونون. السعة الحرارية للمادة نفسها (ج) قريبة من الثابت، والسعة الحرارية الكبيرة لنتريد الألومنيوم هي أحد أسباب التوصيل الحراري العالي لنتريد الألومنيوم. ترتبط سرعة الفونون (v) فقط بالكثافة البلورية والخواص الميكانيكية المرنة، والتي يمكن اعتبارها أيضًا ثابتة، وبالتالي فإن مسافة انتشار الفونون، هي المفتاح الذي يؤثر على أداء التوصيل الحراري للألمنيوم العياني النهائي نيتريد السيراميك.

لذلك، يتضح من آلية التوصيل الحراري للفونونات داخل نيتريد الألومنيوم أنه من أجل التوصيل الحراري العالي، من الضروري جعل الفونونات تنتشر أبعد لتقليل مقاومة الانتشار، والتي تأتي عمومًا من التشتت المتنوع أثناء انتشار الفونون. عادة ما يكون للسيراميك الملبد عيوب بلورية مختلفة، وشوائب، ومسامية، ويتم إدخال مراحل ثانية في الداخل، والتي تعمل على تشتيت الفونونات وبالتالي تؤثر على التوصيل الحراري النهائي.

العوامل الرئيسية المؤثرة على التوصيل الحراري

لقد تم التأكيد من خلال البحث المستمر أنه من بين العوامل العديدة التي تؤثر على التوصيل الحراري لسيراميك AlN، فإن البنية المجهرية ومحتوى شوائب الأكسجين في سيراميك AlN بارز بشكل خاص.

(1) تأثير البنية المجهرية لسيراميك AlN على التوصيل الحراري.

في التطبيقات العملية، غالبًا ما يتم إضافة مساعدات التلبيد المختلفة إلى AlN لخفض درجة حرارة التلبيد. وفي الوقت نفسه، يتم إدخال مرحلة ثانية في شبكة AlN، مما يؤدي إلى انخفاض التوصيل الحراري بسبب تشتت الفونونات أثناء عملية التوصيل الحراري.

يمكن أن تحدث المرحلة الثانية التي يتم إدخالها عن طريق إضافة مساعدات التلبيد بعدة طرق: من حيث التوزيع، يمكن تقسيمها إلى جزر وتوزيع مستمر عند حدود الحبوب؛ من حيث موقع التوزيع، يمكن تقسيمها إلى توزيع عند مثلثات حدود الحبوب ومواقع أخرى عند حدود الحبوب. يمكن أن توفر الحبوب الموزعة بشكل مستمر وصولاً مباشرًا أكبر إلى الفونونات، كما أن الاتصال المباشر مع حبيبات AlN له موصلية حرارية أعلى من حبيبات AlN المعزولة، لذلك من الأفضل أن يتم توزيع المرحلة الثانية بشكل مستمر؛ ينتج سيراميك AlN الموزع في مثلث حدود الحبوب تشتتًا أقل للتداخل أثناء التوصيل الحراري ويمكنه الحفاظ على الاتصال بين حبيبات AlN، لذلك من الأفضل أن يتم توزيع المرحلة الثانية بشكل مستمر؛ ينتج سيراميك AlN الموزع عند مثلث حدود الحبوب تشتتًا أقل للتداخل أثناء التوصيل الحراري ويمكنه الحفاظ على الاتصال بين حبيبات AlN، لذلك من الأفضل توزيع المرحلة الثانية عند مثلث حدود الحبوب.

رسم تخطيطي لتوزيع المرحلة الثانية داخل بلورة آلن

بالإضافة إلى ذلك، فإن التوزيع غير المنتظم لحدود الحبوب المتشابهة يؤدي إلى وجود عدد كبير من المسام، مما يعيق تشتت الفونونات ويؤدي إلى انخفاض التوصيل الحراري لـ AlN. يؤثر محتوى حدود الحبوب وحجم حدود الحبوب والمسامية أيضًا على أداء التوصيل الحراري.

لذلك، أثناء تلبيد سيراميك AlN، يمكن تحسين التوصيل الحراري لسيراميك AlN عن طريق تحسين عملية التلبيد بوسائل مثل زيادة درجة حرارة التلبيد، وتمديد وقت الاحتفاظ، والمعالجة الحرارية لتحسين العيوب الداخلية للبلورة ولتحسينها. جعل المرحلة الثانية موزعة بشكل مستمر وكذلك تقع على حدود الحبوب الثلاثية قدر الإمكان.

(2) تأثير شوائب الأكسجين على التوصيل الحراري.

AlN شديد التأثر بالتحلل المائي والأكسدة، مما يؤدي إلى أكسدة سطح نيتريد الألومنيوم، مما يؤدي إلى تكوين عيوب شواغر الألومنيوم في محلول الأكسجين الصلب في شبكة AlN. ويؤدي إلى زيادة في تشتت الفونون، وانخفاض في متوسط المدى الحر، وما يترتب على ذلك من انخفاض في التوصيل الحراري.

محتوى الأكسجين والتوصيل الحراري في شبكة AlN

لذلك، من أجل تحسين التوصيل الحراري، فإن إضافة وسيلة مساعدة مناسبة للتلبيد لإزالة شوائب الأكسجين في الشبكة يعد أسلوبًا فعالاً.

عناصر التحكم الرئيسية للتلبيد

AlN هو مركب تساهمي ذو معامل انتشار ذاتي صغير للذرات وطاقة ترابط قوية، مما يجعل من الصعب التلبيد بكثافة. نقطة انصهارها تصل إلى 3000°C أو أكثر، ودرجة حرارة التلبيد أعلى من 1900°C. إن درجة حرارة التلبيد المرتفعة هذه تقيد بشكل خطير التطبيق العملي لـ AlN في الصناعة.

بالإضافة إلى ذلك، تبدأ شوائب الأكسجين الموجودة في الطبقة السطحية من AlN في الانتشار إلى الجزء الداخلي من شبكتها عند درجات حرارة عالية فقط، لذا فإن التلبيد في درجة حرارة منخفضة له وظيفة أخرى، وهي تأخير انتشار شوائب الأكسجين في الطبقة السطحية إلى الطبقة السطحية. الجزء الداخلي من شبكة AlN أثناء التلبيد ولتقليل شوائب الأكسجين في الشبكة، لذا فإن البحث عن تكنولوجيا التلبيد في درجات الحرارة المنخفضة أمر ضروري لإعداد مواد سيراميك AlN ذات الموصلية الحرارية العالية.

في الوقت الحاضر، هناك طرق مختلفة لتلبيد سيراميك AlN في الصناعة، ويمكن اعتماد طرق تلبيد مختلفة للحصول على أجسام خزفية كثيفة وفقًا للاحتياجات الفعلية. بغض النظر عن طريقة التلبيد، فإن تكرير مسحوق AlN الأصلي وإضافة إضافات تلبيد مناسبة بدرجات حرارة منخفضة يمكن أن يقلل بشكل فعال من درجة حرارة تلبيد سيراميك نيتريد الألومنيوم. 

(1) استخدام مسحوق نيتريد الألومنيوم بحجم الجسيمات الصغيرة

القوة الدافعة لعملية تلبيد نيتريد الألومنيوم هي الطاقة السطحية، ويمكن لمسحوق AlN ذو الحبيبات الدقيقة أن يعزز عملية التلبيد من خلال الطاقة السطحية، ويمكن لمسحوق AlN ذو الحبيبات الدقيقة أن يعزز نشاط التلبيد ويزيد من القوة الدافعة للتلبيد لتسريع التلبيد عملية. وقد أكدت الدراسات أنه عندما يكون حجم الجسيمات الأولية لمسحوق AlN الأصلي أصغر 20 مرة، فإن معدل تلبيد السيراميك سيزيد 147 مرة.

يجب اختيار المواد الخام الملبدة من مسحوق نيتريد الألومنيوم بحجم جسيمات صغير وتوزيع موحد، والذي يمكن أن يمنع إعادة البلورة الثانوية، وتكون الجزيئات الداخلية الكبيرة عرضة لنمو الحبوب غير الطبيعي الذي لا يفضي إلى تلبيد التكثيف؛ إذا لم يتم توزيع الجزيئات بشكل موحد، فإن البلورات الفردية تكون عرضة للنمو غير الطبيعي أثناء عملية التلبد وتؤثر على التلبد.

نمو الحبوب نيتريد الألومنيوم

في بعض الأحيان تتأثر آلية تلبيد سيراميك نيتريد الألومنيوم بحجم المسحوق الأصلي. يتم تلبيد مساحيق نيتريد الألومنيوم ذات الحجم الميكروني وفقًا لآلية الانتشار بالجملة، في حين يتم تلبيد المساحيق بحجم النانومتر وفقًا لآلية الانتشار على حدود الحبوب أو آلية الانتشار السطحي.

ومع ذلك، في الوقت الحالي، يعد تحضير مساحيق AlN الدقيقة والموحدة أمرًا صعبًا للغاية، ويتم تحضير معظمها بالطريقة الكيميائية الرطبة جنبًا إلى جنب مع طريقة التخفيض الحراري للكربون، وهي ليست معقدة في عملية التلبيد فحسب، بل تستهلك أيضًا الطاقة، وهناك لا تزال هناك بعض القيود على الترويج والتطبيق على نطاق واسع. لا يزال العرض المحلي لمسحوق نيتريد الألومنيوم عالي الأداء ذو الجسيمات الصغيرة نادرًا جدًا.

(2) اختيار إضافات التلبيد ذات درجة الحرارة المنخفضة لسيراميك نيتريد الألومنيوم

عن طريق إضافة بعض إضافات التلبيد ذات نقطة الانصهار المنخفضة في عملية التلبيد، يمكنها إنتاج الطور السائل لتعزيز التلبيد الكثيف. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن لبعض إضافات التلبيد أن تولد مرحلة سائلة فحسب، بل تتفاعل أيضًا مع شوائب الأكسجين في الشبكة، والتي يمكن أن تلعب دور إزالة شوائب الأكسجين لتنقية الشبكة، وبالتالي تحسين التوصيل الحراري لسيراميك AlN.

رسم تخطيطي لعملية عمل إضافات التلبيد

ومع ذلك، لا ينبغي إضافة إضافات التلبيد بشكل أعمى، ويجب أن تكون الكمية المضافة مناسبة، وإلا فقد يكون لها تأثير ضار. تقدم إضافات التلبيد مرحلة ثانية، والتحكم في توزيع المرحلة الثانية له تأثير كبير على التوصيل الحراري.

بعد البحث، عند اختيار إضافات التلبيد ذات درجة الحرارة المنخفضة لسيراميك AlN يجب الرجوع إلى النقاط التالية:

1) تتمتع المادة المضافة بنقطة انصهار منخفضة وتكون قادرة على تكوين طور سائل عند درجة حرارة تلبيد منخفضة وتعزيز التلبيد خلال الطور السائل؛

2) يمكن أن تتفاعل المواد المضافة مع Al2O3 لإزالة شوائب الأكسجين وتنقية شبكة AlN، وبالتالي تحسين التوصيل الحراري؛

3) لا تتفاعل المواد المضافة مع AlN لتجنب توليد العيوب؛

4) لا تحفز المواد المضافة تحلل وأكسدة AlN لإنتاج Al2O3 وAlON، مما يؤدي إلى تجنب الانخفاض الحاد في التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد الألومنيوم.

المواد التي وجدت أنها مناسبة كإضافات تلبيد هي Y2O3، CaO، Li2O، BaO، MgO، SrO2، La2O3، HfO2 وCeO2، والتي لا تتفاعل مع AlN، بالإضافة إلى بعض فلوريدات المعادن الأرضية النادرة والمعادن الأرضية القلوية و عدد قليل من المركبات ذات الخصائص المختزلة (CaC2، YC2، TiO2، ZrO2، TiN، إلخ).

باستخدام مادة مضافة واحدة للتلبيد وحدها، عادة ما يتطلب التلبيد عند الضغط الجوي درجة حرارة أعلى من 1800 درجة مئوية. إن استخدام الإضافات المركبة وتصميم الإضافات والنسب المعقولة يمكن أن يؤدي إلى تقليل درجة حرارة التلبيد بشكل فعال، كما أنها طريقة شائعة الاستخدام لتلبيد نيتريد الألومنيوم بدرجة حرارة منخفضة في الوقت الحاضر.

ملخص

أصبح مجال التغليف الإلكتروني لركيزة نيتريد الألومنيوم من السيراميك أكثر انتشارًا، وهناك أيضًا بعض الشركات المحلية في هذا المجال التي تم بناؤها، ومع ذلك، بالمقارنة مع البحر الأحمر الطويل القريب من الأسواق الخارجية، فإن تطوير الركيزة الخزفية من نيتريد الألومنيوم في الصين هو لا يزال في مراحله الأولية، في إعداد وإنتاج مسحوق عالي الأداء والركيزة الموصلية الحرارية العالية لا يزال لديه فجوة معينة. فهم متعمق لآلية المادة، من جذر الدواء المناسب، من أجل الارتقاء بصناعة الركيزة الخزفية في الصين إلى مستوى أعلى.

مرجع:

تحضير الركيزة الخزفية AIN ذات الموصلية الحرارية العالية والتعبئة والتغليف لمصابيح LED عالية الطاقة، لي هونغوي، جامعة الصين جيليانغ.

تمت إعادة طباعة هذه المقالة من 360powder.com.