لماذا تحتاج إلى خدماتنا ، فأنت تعلم أنك تحصل على مهنيين مؤهلين تأهيلاً عالياً لديهم الخبرة والتجربة للتأكد من أن مشروعك يتم بشكل صحيح ويعمل بشكل صحيح.
كنوع جديد من مواد تغليف الأجهزة الإلكترونية ، يتميز سيراميك AlN بموصلية وقوة حرارية عالية ، 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 الإحصاء المحلي والدولي.
ركيزة سيراميك نيتريد الألومنيوم ، مادة مثالية لتغليف الرقائق عالية الطاقة وعالية الرصاص وكبيرة الحجم ، كانت الموصلية الحرارية محور تركيز الصناعة. لا تزال الموصلية الحرارية الحالية لركيزة AlN التجارية من الموصلية الحرارية النظرية لها فجوة كبيرة. لذلك ، فإن تحسين التوصيل الحراري العالي للركيزة الخزفية AlN مع تقليل درجة حرارة التكلس لسيراميك 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 القدرة على التوصيل الحراري. إنه مركب تساهمي ولا يحتوي على إلكترونات متحركة بحرية بداخله ، لذلك يتم نقل الحرارة على شكل اهتزازات شعرية ، والتي تسمى نقل الحرارة بالفونون. يحتوي الجزء ذو درجة الحرارة العالية من الكريستال على طاقة عالية وجزء درجة الحرارة المنخفضة منخفض. يتم نقل الطاقة من الأعلى إلى الأقل من خلال التفاعل بين الفونو ، وتؤدي هجرة الطاقة إلى توصيل الحرارة.
الفونون لنقل الحرارة
يُنظر إلى الذرات الموجودة داخل الشبكة على أنها كرات صغيرة متصلة ببعضها البعض بواسطة زنبركات (روابط تساهمية) ، بحيث يتعين على اهتزاز كل ذرة سحب الذرات المحيطة بها وجعلها تمر عبر البلورة على شكل موجات مرنة. هذا الاهتزاز الشبكي يولد كمية من الطاقة ، تسمى الفونونات ، والتي تتفاعل لنقل الاهتزازات ، مما يسمح بانتقال الطاقة ونقل الحرارة.
يتم الحصول على علاقة التوصيل الحراري K في انتقال حرارة الفونون من خلال:
إن c أعلاه هو السعة الحرارية لجسم السيراميك الخاص به ، و v هي متوسط سرعة حركة الفونون ، و هو متوسط المدى الحر للفونون. السعة الحرارية للمادة نفسها (ج) قريبة من الثبات ، والسعة الحرارية الكبيرة لنتريد الألومنيوم هي أحد أسباب التوصيل الحراري العالي لنتريد الألومنيوم. ترتبط سرعة الفونون (v) فقط بكثافة الكريستال والخصائص الميكانيكية المرنة ، والتي يمكن اعتبارها أيضًا ثابتة ، وبالتالي فإن مسافة انتشار الفونون هي المفتاح الذي يؤثر على أداء التوصيل الحراري للألمنيوم العياني النهائي نيتريد سيراميك.
لذلك ، يتضح من آلية التوصيل الحراري للفونونات داخل نيتريد الألومنيوم أنه من أجل التوصيل الحراري العالي ، من الضروري جعل الفونونات تنتشر إلى مسافة أبعد لتقليل مقاومة الانتشار ، والتي تأتي عمومًا من تشتت مختلف أثناء انتشار الفونون. عادة ما يكون للسيراميك الملبد عيوب بلورية مختلفة وشوائب ومسامية وأدخل أطوار ثانية بالداخل ، والتي تعمل على تشتيت الفونونات وبالتالي تؤثر على التوصيل الحراري النهائي.
العوامل الرئيسية التي تؤثر على التوصيل الحراري
لقد تم التأكيد من خلال البحث المستمر على أنه من بين العديد من العوامل التي تؤثر على التوصيل الحراري لسيراميك AlN ، فإن البنية الدقيقة ومحتوى شوائب الأكسجين لسيراميك AlN بارزة بشكل خاص.
(1) تأثير البنية المجهرية لسيراميك AlN على التوصيل الحراري.
في التطبيقات العملية ، غالبًا ما يتم إضافة العديد من مساعدات التلبيد إلى AlN لخفض درجة حرارة التلبيد. وفي الوقت نفسه ، يتم إدخال مرحلة ثانية في شبكة AlN ، مما يؤدي إلى انخفاض في 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 والتوزيع المستمر عند حدود الحبوب ؛ من حيث موقع التوزيع ، يمكن تقسيمها إلى توزيع في حدود الحبوب ومواقع أخرى عند حدود الحبوب. يمكن أن توفر الحبيبات الموزعة المستمرة للألويون وصولًا مباشرًا أكثر إلى الفونونات ، والاتصال المباشر مع حبيبات AlN له موصلية حرارية أعلى من حبيبات AlN المعزولة ، لذلك من الأفضل أن يتم توزيع المرحلة الثانية باستمرار ؛ ينتج سيراميك AlN الموزع على مثلث حدود الحبوب تشتتًا أقل للتداخل أثناء التوصيل الحراري ويمكن أن يحافظ على الاتصال بين حبيبات AlN ، لذلك من الأفضل أن يتم توزيع المرحلة الثانية باستمرار ؛ ينتج سيراميك AlN الموزع على مثلث حدود الحبوب تشتتًا أقل للتداخل أثناء التوصيل الحراري ويمكن أن يحافظ على الاتصال بين حبيبات AlN ، لذلك من الأفضل أن يتم توزيع المرحلة الثانية عند مثلث حدود الحبوب.
رسم تخطيطي لتوزيع المرحلة الثانيةداخل الكريستال aln
بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي التوزيع غير المنتظم لحدود الحبوب المماثلة إلى وجود عدد كبير من المسام ، مما يعيق تشتت الفونونات ويؤدي إلى انخفاض في التوصيل الحراري لـ AlN. يؤثر محتوى حدود الحبوب وحجم حدود الحبوب والمسامية أيضًا على أداء التوصيل الحراري.
لذلك ، أثناء تلبيد سيراميك AlN ، يمكن تحسين الموصلية الحرارية لسيراميك AlN من خلال تحسين عملية التلبيد بوسائل مثل زيادة درجة حرارة التلبيد ، وإطالة وقت الاحتفاظ ، والمعالجة الحرارية لتحسين العيوب الداخلية للبلورة ولإزالة جعل المرحلة الثانية موزعة بشكل مستمر وكذلك تقع عند حدود الحبوب المثلثية قدر الإمكان.
(2) تأثير شوائب الأكسجين على التوصيل الحراري.
AlN شديد الحساسية للتحلل المائي والأكسدة ، مما يؤدي إلى أكسدة سطح نيتريد الألومنيوم ، مما يؤدي إلى تكوين عيوب شغور الألومنيوم في محلول الأكسجين الصلب في شبكة AlN. ويؤدي إلى حدوث زيادة في تشتت الفونون ، وانخفاض متوسط المدى الحر ، وبالتالي انخفاض في التوصيل الحراري.
محتوى الأكسجين (بالوزن٪) | الموصلية الحرارية (W / m · K) |
0.31 | 130 |
0.24 | 146 |
0.19 | 165 |
0.13 | 171 |
0.12 | 185 |
محتوى الأكسجين والتوصيل الحراري في شبكة AlN
لذلك ، من أجل تحسين التوصيل الحراري ، فإن إضافة وسيلة تلبيد مناسبة لإزالة شوائب الأكسجين في الشبكة هو نهج فعال.
عناصر التحكم الرئيسية للتكلس
AlN هو مركب تساهمي مع معامل انتشار ذاتي صغير للذرات وطاقة ارتباط قوية ، مما يجعل من الصعب التلبيد بكثافة. تصل درجة انصهارها إلى 3000 أو أكثر ، ودرجة حرارة التلبيد أعلى من 1900 ℃. درجة حرارة التلبيد العالية هذه تقيد بشكل خطير التطبيق العملي لـ AlN في الصناعة.
بالإضافة إلى ذلك ، تبدأ شوائب الأكسجين في الطبقة السطحية لـ AlN في الانتشار إلى الجزء الداخلي من شبكتها فقط في درجات حرارة عالية ، لذلك فإن التلبيد في درجات الحرارة المنخفضة له وظيفة أخرى ، وهي تأخير انتشار شوائب الأكسجين في طبقة السطح إلى الجزء الداخلي لشبكة AlN أثناء التلبيد ولتقليل شوائب الأكسجين في الشبكة ، لذا فإن البحث عن تقنية التلبيد ذات درجة 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 تنقية مسحوق AlN الأصلي وإضافة مواد تلبيد مناسبة لدرجات 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 هو الطاقة السطحية ، ويمكن لمسحوق AlN الدقيق أن يعزز نشاط التلبيد ويزيد من القوة الدافعة للتلبيد لتسريع عملية التلبيد عملية. أكدت الدراسات أنه عندما يكون حجم جسيمات البداية لمسحوق AlN الأصلي أصغر 20 مرة ، فإن معدل تلبيد السيراميك سيزداد 147 مرة.
يجب اختيار المواد الخام الملبدة من مسحوق نيتريد الألومنيوم بحجم جزيئات صغير وتوزيع منتظم ، مما يمكن أن يمنع إعادة التبلور الثانوي ، والجزيئات الداخلية الكبيرة عرضة لنمو الحبوب غير الطبيعي الذي لا يؤدي إلى تلبيد التكثيف ؛ إذا لم يتم توزيع الجسيمات بشكل موحد ، فإن البلورات الفردية تكون عرضة للنمو غير الطبيعي أثناء عملية التلبيد وتؤثر على التلبيد.
نمو الحبوب نيتريد الألومنيوم
في بعض الأحيان تتأثر آلية تلبيد سيراميك نيتريد الألومنيوم بحجم المسحوق الأصلي. يتم تلبيد مساحيق نيتريد الألومينو ذات الحجم الميكرون وفقًا لآلية الانتشار بالجملة ، بينما يتم تلبيد مساحيق النانومتر وفقًا لانتشار حدود الحبوب أو آلية انتشار السطح.
ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، يعد تحضير مساحيق AlN الدقيقة والموحدة أمرًا صعبًا للغاية ، ويتم تحضير معظمها بطريقة كيميائية رطبة جنبًا إلى جنب مع طريقة الاختزال الحراري للكربون ، وهي ليست معقدة فقط في عملية التلبيد ولكن أيضًا تستهلك الطاقة ، وهناك لا تزال بعض القيود على الترويج والتطبيق على نطاق واسع. لا يزال الإمداد المحلي بمسحوق نيتريد الألومنيوم عالي الأداء بحجم الجسيمات الصغيرة نادرًا جدًا.
(2) اختيار مضافات التلبيد ذات درجة الحرارة المنخفضة لسيراميك نيتريد الألومنيوم
عن طريق إضافة بعض إضافات التلبيد ذات نقطة الانصهار المنخفضة في عملية التلبيد ، يمكن أن تنتج مرحلة سائلة لتعزيز التلبيد الكثيف. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن لبعض إضافات التلبيد أن تولد مراحل سائلة فحسب ، بل تتفاعل أيضًا مع شوائب الأكسجين في الشبكة ، والتي يمكن أن تلعب دور إزالة شوائب الأكسجين لتنقية الشبكة ، وبالتالي تحسينالموصلية الحرارية لسيراميك AlN.
رسم تخطيطي لعملية عمل إضافات التلبيد
ومع ذلك ، لا ينبغي إضافة مواد التلبيد بشكل أعمى ، ويجب أن تكون الكمية المضافة مناسبة ، وإلا فقد يكون لها تأثير ضار. تقدم إضافات التلبيد مرحلة ثانية ، والتحكم في التوزيع في المرحلة الثانية له تأثير كبير على التوصيل الحراري.
بعد البحث ، عند اختيار مضافات التلبيد ذات درجة الحرارة المنخفضة لسيراميك AlN ، يجب الإشارة إلى النقاط التالية:
1) المادة المضافة لها نقطة انصهار منخفضة وهي قادرة على تكوين طور سائل عند درجة حرارة تلبيد منخفضة وتعزيز التلبيد خلال المرحلة السائلة ؛
2) يمكن أن تتفاعل المواد المضافة مع Al2O3 لإزالة شوائب الأكسجين وتنقية شبكة AlN ، وبالتالي تحسين التوصيل الحراري ؛
3) الإضافات لا تتفاعل مع AlN لتجنب تولد العيوب ؛
4) لا تؤدي المواد المضافة إلى تحلل وأكسدة AlN لإنتاج Al2O3 و AlON ، مما يؤدي إلى تجنب حدوث انخفاض حاد في التوصيل الحراري لخزف نيتريد الألومنيوم.
المواد التي وجدت أنها مناسبة كإضافات تلبيد هي Y2O3 و CaO و Li2O و BaO و MgO و SrO2 و La2O3 و HfO2 و CeO2 ، والتي لا تتفاعل مع AlN ، وكذلك بعض الفلوريدات من الفلزات الأرضية النادرة والمعادن الأرضية القلوية و a عدد قليل من المركبات ذات الخصائص المختزلة (CaC2 ، YC2 ، TiO2 ، ZrO2 ، TiN ، إلخ).
باستخدام مضافات تلبيد واحدة فقط ، يتطلب التلبيد عند الضغط الجوي عادة درجة حرارة أعلى من 1800 درجة مئوية. يمكن أن يؤدي استخدام الإضافات المركبة وتصميم الإضافات والنسب المعقولة إلى تقليل درجة حرارة التلبيد بشكل فعال ، وهي أيضًا طريقة شائعة الاستخدام لتلبيد نيتريد الألومنيوم بدرجة حرارة منخفضة في الوقت الحالي.
ملخص
أصبح مجال تطبيق التغليف الإلكتروني للركيزة الخزفية من نيتريد الألومنيوم أكثر انتشارًا ، وهناك أيضًا بعض الشركات المحلية في هذا المجال التي تم بناؤها ، ومع ذلك ، مقارنةً بالبحر الأحمر القريب من الأسواق الخارجية ، فإن تطوير ركيزة سيراميك نيتريد الألومنيوم في الصين هو لا يزال في مهده ، في إعداد وإنتاج مسحوق عالي الأداء وركيزة الموصلية الحرارية العالية لا تزال بها فجوة معينة. فهم متعمق لآلية المادة ، من جذر الطب الصحيح ، من أجل جعل صناعة الركيزة الخزفية في الصين إلى مستوى أعلى.
مرجع:
تحضير ركيزة سيراميك AIN ذات الموصلية الحرارية العالية والتعبئة والتغليف لمصباح LED عالي الطاقة ، لي هونغ وي ، جامعة جيليانغ الصينية.
تمت إعادة طبع هذه المقالة من موقع 360powder.com.
لماذا تحتاج إلى خدماتنا ، فأنت تعلم أنك تحصل على مهنيين مؤهلين تأهيلاً عالياً لديهم الخبرة والتجربة للتأكد من أن مشروعك يتم بشكل صحيح ويعمل بشكل صحيح.
إذا كنت ترغب في استشارة مجانية ، يرجى البدء في ملء الاستمارة:
تلقي معلومات البيع والأخبار والتحديثات في صندوق الوارد الخاص بك.