زیرلایه های سرامیکی نیترید آلومینیوم: فعال کردن الکترونیک پرقدرت از طریق مدیریت حرارتی برتر سرامیک آلومینیوم نیترید

1. علم محصول و خواص ساختاری

1.1 چارچوب کریستالی و پایداری شیمیایی

(زیرلایه های سرامیکی نیترید آلومینیوم)

نیترید آلومینیوم (AlN) یک سرامیک نیمه هادی پهن باند با ساختار کریستالی ورتزیت شش ضلعی است., متشکل از لایه های دوار اتم های آلومینیوم و نیتروژن سبک وزن که از طریق فعل و انفعالات کووالانسی جامد به هم متصل شده اند..

این تنظیم اتمی بادوام AlN را با امنیت حرارتی فوق العاده افزایش می دهد, حفظ یکپارچگی معماری تا 2200 درجه سانتی گراد در محیط های بی اثر و مقاوم در برابر تجزیه تحت دوچرخه سواری حرارتی شدید.

بر خلاف آلومینا (دو یا سه), AlN از نظر شیمیایی نسبت به ذوب فولادها و چندین گاز پاسخگو بی اثر است, آن را برای اتمسفرهای شدید مانند اتاق های پردازش نیمه هادی و بخاری های با دمای بالا ایده آل می کند.

مقاومت بالای آن در برابر اکسیداسیون– با قرار گرفتن در معرض مستقیم هوا، فقط یک لایه ایمنی باریک Al2O در سطح سطح ایجاد می کند– اطمینان پایدار را بدون تخریب قابل توجه خانه های بزرگ تضمین می کند.

علاوه بر این, AlN عایق الکتریکی فوق العاده ای را با مقاومت بیش از حد نشان می دهد 10 14 Ω · سانتی متر و چقرمگی دی الکتریک بالا 30 kV/mm, برای کاربردهای ولتاژ بالا حیاتی است.

1.2 رسانایی حرارتی و ویژگی های الکترونیکی

یکی از مشخص ترین ویژگی های نیترید آلومینیوم رسانایی حرارتی برتر آن است, به طور معمول از 140 به 180 W/(m · K )برای زیر لایه های تجاری– تمام 5 برابر بیشتر از آلومینا (≈ 30 W/(m · K)).

این کارایی از جرم اتمی کم نیتروژن و آلومینیوم ناشی می شود, با پیوند قوی و مشکلات فاکتور حاشیه ای یکپارچه شده است, که امکان انتقال کارآمد فونون را از طریق شبکه شبکه فراهم می کند.

با این وجود, ناخالصی های اکسیژن به ویژه آسیب رسان هستند; همچنین مقادیر ردیابی (بالا 100 ppm) جایگزینی برای سایت های نیتروژن, تولید دهانه های آلومینیومی سبک وزن و پخش فونون, در نتیجه هدایت حرارتی را به طور چشمگیری کاهش می دهد.

پودرهای AlN با خلوص بالا که از طریق کاهش کربوترمال یا نیتریداسیون مستقیم سنتز می شوند برای دستیابی به اتلاف گرمای ایده آل ضروری هستند..

صرف نظر از اینکه عایق الکتریکی بودن, خواص پیزوالکتریک و پیروالکتریک AlN آن را در واحدهای حسگر و ابزارهای امواج صوتی مفید می کند., در حالی که شکاف باند گسترده آن است (~ 6.2 eV) رویه را در سیستم های الکترونیکی با توان و فرکانس بالا حفظ می کند.

2. مراحل ساخت و ساز و مشکلات تولید

( زیرلایه های سرامیکی نیترید آلومینیوم)

2.1 سنتز پودر و تکنیک های پخت

تولید زیر لایه های AlN با کارایی بالا با سنتز فوق ریز آغاز می شود, پودر با خلوص بالا, به طور کلی از طریق واکنش هایی مانند Al2O SIX انجام می شود + 3سی + N TWO → 2AlN + 3CO (کاهش کربوترمال) یا نیتریداسیون مستقیم فولاد آلومینیوم سبک وزن: 2ال + N TWO → 2AlN.

پودر حاصل باید با دقت رنده شود و با کمک تف جوشی مانند Y TWO O FIVE دوپ شود., CaO, یا اکسیدهای نادر سیاره ای برای ترویج تراکم در دماهای بین 1700 درجه سانتی گراد و 1900 درجه سانتیگراد در جو نیتروژن.

این مواد فازهای مایع کوتاه مدتی را ایجاد می کنند که انتشار مرز دانه را افزایش می دهد, امکان تراکم کامل (> 99% ضخامت نظری) در حالی که آلودگی اکسیژن را کاهش می دهد.

بازپخت پس از تف جوشی در محیط های غنی از کربن می تواند با خلاص شدن از اکسیدهای بین دانه ای، محتوای وب اکسیژن را بهتر به حداقل برساند., در نتیجه بازیابی حداکثر هدایت حرارتی.

دستیابی به ریزساختار ثابت با بعد دانه کنترل شده برای متعادل کردن چقرمگی مکانیکی بسیار مهم است, راندمان حرارتی, و قابلیت ساخت.

2.2 تشکیل زیر لایه و متالیزاسیون

وقتی زینتر شد, سرامیک های AlN با دقت آسیاب و پاشیده می شوند تا تحمل ابعادی محدود مورد نیاز برای بسته بندی محصولات الکترونیکی را برآورده کنند., اغلب به یکنواختی در سطح میکرومتر.

خسته کننده از طریق سوراخ, برش لیزری, و الگوی سطحی امکان جذب در پلان های چندلایه و مدارهای دورگه را فراهم می کند.

یک مرحله حیاتی در ساخت بستر، متالیزاسیون است– استفاده از لایه های رسانا (معمولا تنگستن, مولیبدن, یا مس) با استفاده از فرآیندهایی مانند چاپ فیلم ضخیم, کندوپاش لایه نازک, یا اتصال مستقیم مس (DBC).

برای DBC, فویل های آلومینیومی مسی در سطوح درجه حرارت بالا در یک محیط تنظیم شده به سطوح AlN متصل می شوند., ایجاد یک رابط کاربری قوی ایده آل برای برنامه های کاربردی با جریان بالا.

تکنیک های مختلف مانند لحیم کاری فولاد فعال (با) از لحیم‌های حاوی تیتانیوم برای افزایش چسبندگی و مقاومت در برابر فرسودگی حرارتی استفاده کنید, به ویژه در چرخه های مکرر قدرت.

طراحی سطحی صحیح باعث کاهش مقاومت حرارتی و قابلیت اطمینان مکانیکی بالا در دستگاه های عامل می شود.

3. مزایای عملکرد در تجهیزات الکترونیکی

3.1 مدیریت حرارتی در الکترونیک قدرت

زیرلایه های AlN بر گرمای ایجاد شده توسط ابزارهای نیمه هادی پرقدرت مانند IGBT تسلط دارند., ماسفت ها, و تقویت کننده های RF مورد استفاده در خودروهای الکتریکی, اینورترهای منابع تجدیدپذیر, و چارچوب مخابراتی.

استخراج گرمای قابل اعتماد از نقاط داغ محلی جلوگیری می کند, اضطراب حرارتی را به حداقل می رساند, و طول عمر ابزار را با کاهش خطرات مهاجرت الکتریکی و لایه لایه شدن افزایش می دهد.

در مقایسه با بسترهای معمولی Al 2 O 3, AlN به دلیل رسانایی حرارتی عالی، اندازه بسته‌های کوچک‌تر و ضخامت توان بالاتر را ممکن می‌سازد., به توسعه دهندگان اجازه می دهد تا مرزهای عملکرد را بدون به خطر انداختن یکپارچگی فشار دهند.

در روشنایی LED و دیودهای لیزری, که در آن دمای محل اتصال مستقیماً بر اثربخشی و پایداری سایه تأثیر می گذارد, زیر لایه های AlN به طور قابل ملاحظه ای نتیجه درخشان و امید به زندگی عملکردی را بهبود می بخشد.

ضریب رشد حرارتی آن (CTE ≈ 4.5 ppm/K) علاوه بر این، دقیقاً با سیلیکون مطابقت دارد (3.5– 4 ppm/K) و نیترید گالیوم (GaN, ~ 5.6 ppm/K), کاهش تنش ترمو مکانیکی در حین دوچرخه سواری حرارتی.

3.2 قابلیت اطمینان الکتریکی و مکانیکی

عملکرد حرارتی گذشته, AlN از تلفات دی الکتریک کم استفاده می کند (tan δ < 0.0005) and steady permittivity (εᵣ ≈ 8.9) throughout a broad regularity variety, making it perfect for high-frequency microwave and millimeter-wave circuits.

ماهیت هرمتیک آن از نفوذ رطوبت محافظت می کند, از بین بردن خطرات زوال در محیط های مرطوب– یک مزیت اساسی نسبت به بسترهای آلی.

به صورت مکانیکی, AlN دارای چقرمگی خمشی بالایی است (300– 400 MPa) و استحکام (HV ≈ 1200), اطمینان از انعطاف پذیری در طول حمل و نقل, مونتاژ, و روش میدانی.

این ویژگی ها در مجموع به بهبود یکپارچگی سیستم کمک می کنند, کاهش نرخ شکست, و هزینه کلی کمتر در اختیار داشتن در برنامه های کاربردی حیاتی.

4. برنامه ها و مرزهای فناوری آینده

4.1 صنعتی, خودرو, و سیستم های حفاظتی

بسترهای سرامیکی AlN در حال حاضر در ماژول های قدرت پیشرفته برای درایوهای موتور تجاری معمولی هستند, اینورترهای بادی و خورشیدی, و شارژرهای باتری داخلی در خودروهای الکتریکی و هیبریدی.

در هوافضا و دفاع, آنها سیستم های راداری را حفظ می کنند, دستگاه های جنگ دیجیتال, و تعاملات ماهواره ای, که در آن عملکرد تحت مشکلات شدید غیر قابل مذاکره است.

تجهیزات تصویربرداری بالینی, متشکل از ژنراتورهای اشعه ایکس و سیستم های MRI, همچنین از مقاومت در برابر تشعشع و یکپارچگی سیگنال AlN بهره مند شوید.

همانطور که مدهای الکتریکی سازی در سراسر حوزه های حمل و نقل و انرژی سرعت می گیرد, تقاضا برای بسترهای AlN همچنان در حال رشد است, ناشی از نیاز به جمع و جور, کارآمد, و دستگاه های برقی معتبر.

4.2 ترکیب ناشی و توسعه پایدار

نوآوری‌های آینده بر ادغام AlN مستقیماً در معماری‌های بسته‌بندی محصولات سه بعدی متمرکز هستند., عناصر منفعل ریشه دار, و سیستم های ترکیبی ناهمگن ادغام Si, SiC, و ابزار GaN.

هدف تحقیق در مورد فیلم‌های نانوساختار AlN و زیر لایه‌های تک کریستالی افزایش رسانایی حرارتی به سمت محدودیت‌های آکادمیک است. (> 300 W/(m · K)) برای گجت های کوانتومی و نوری نسل بعدی.

تلاش برای کاهش هزینه های تولید از طریق سنتز پودر مقیاس پذیر, ساخت افزودنی چارچوب های سرامیکی پیچیده, و بازیافت ضایعات AlN برای تقویت پایداری شتاب بیشتری می گیرند.

علاوه بر این, دستگاه های مدل سازی با استفاده از تحلیل المان محدود (FEA) و هوش مصنوعی برای بهبود چیدمان بستر برای بارهای حرارتی و الکتریکی خاص استفاده می شود.

در نتیجه, زیرلایه‌های سرامیکی نیترید آلومینیومی با وزن سبک نشان دهنده یک نوآوری در دستگاه‌های الکترونیکی معاصر است., به طور مشخص فضای خالی بین عایق الکتریکی و انتقال حرارتی فوق العاده را به هم مرتبط می کند.

نقش آنها در ایجاد راندمان بالا, سیستم های قدرت با قابلیت اطمینان بالا بر ارزش تاکتیکی خود در تکامل مکرر نوآوری های دیجیتال و قدرت تأکید دارند..

5. تامین کننده

Advanced Ceramics در اکتبر تاسیس شد 17, 2012, یک شرکت با فناوری بالا متعهد به تحقیق و توسعه است, تولید, پردازش, فروش و خدمات فنی مواد و محصولات نسبی سرامیک. محصولات ما شامل اما نه محدود به محصولات سرامیک کاربید بور است, محصولات سرامیکی نیترید بور, محصولات سرامیکی سیلیکون کاربید, محصولات سرامیکی سیلیکون نیترید, محصولات سرامیکی زیرکونیوم دی اکسید, و غیره. اگر علاقه مند هستید, لطفا با ما تماس بگیرید.
برچسب ها: زیرلایه های سرامیکی نیترید آلومینیوم, سرامیک نیترید آلومینیوم, آلن نیترید آلومینیوم

همه مقالات و تصاویر از اینترنت هستند. اگر هر گونه مشکل کپی رایت وجود دارد, لطفا به موقع برای حذف با ما تماس بگیرید.

از ما پرس و جو کنید