什么原因影响氮化铝陶瓷基板的导热率

氮化铝陶瓷基板在300K下，氮化铝单晶材料理论热导率高达319W/(m·K)，但是在实际生产过程中，由于材料的纯度、内部缺陷（位错、气孔、杂质、点阵畸变）、晶粒取向和烧结工艺等各种因素的影响，其热导率也会受影响，常常低于理论值。今天小编就具体分析原因。

一，氮化铝陶瓷基板的特点和晶体结构

1，AlN（氮化铝）陶瓷的主要特点：

(1)热导率高,是氧化铝陶瓷的5-10倍;

(2)热膨胀系数(4.3×10-6/℃)与半导体硅材料(3.5-4.0×10-6/℃)匹配;

(3)机械性能好;

(4)电性能优良,具有极高的绝缘电阻和低的介质损耗;

(5)可以进行多层布线,实现封装的高密度和小型化;

(6)无毒,有利于环保。

2，氮化铝陶瓷基板晶体结构

氮化铝陶瓷基板核心AIN， AlN是一种结构稳定且具有六方纤锌矿结构，无其他同质异型物存在的共价键型化合物。它的晶体结构是由铝原子和临近的氮原子歧变产生的AlN4四面体为结构单元；空间群为P63mc，属于六方晶系。

                                       AlN （氮化铝）晶体结构图

       氮化铝陶瓷基板导热率影响因素分析：

氮化铝AIN晶体理论导热率可以到319W/(m·K)，而实际一般都是在180W/(m·K)，究竟都有哪些原因影响导热率呢？

                                                                             影响 AlN 陶瓷热导率的各种因素

    以下讲述几项影响较大的因素：

    1，微观结构对热导率的影响

单晶AlN（氮化铝）的热传导机理是声子传热，所以AlN的导热性能可能主要受晶体中的晶界、界面、第二相、缺陷、电子及声子本身对其散射控制的影响。由晶格固体振动论可知，声子散射与热导率λ的关系式为：

                   λ=l/3cv

式中c为热容，v为声子平均速度，l为声子平均自由程。从上式可知，氮化铝的热导率λ与声子的平均自由程l成正比，l越大，热导率越高。从微观结构来看，声子与声子之间的相互作用、声子与杂质、晶界缺陷的相互作用，均会引发散射，会对声子的平均自由程产生影响，从而影响其热导率。

总结：AlN（氮化铝陶瓷）的微观结构对其热导率影响较大，若想获得高热导率的氮化铝陶瓷，尽量要使氮化铝晶体缺陷少，杂质含量少。

     2，氧杂质含量对热导率的影响

研究表明：AlN（氮化铝陶瓷）和氧的亲和力很强，易氧化，导致其表面易生成氧化铝膜，由于Al2O3中氧原子的溶入，取代了AlN（氮化铝陶瓷）中的氮原子的位置，产生了铝空位，形成了氧缺陷，具体反应如下：

Al2O3→2AlAl+3ON+VAl

式中ON为氧原子取代氮化铝晶格中的氮的位置，VAl为铝空位。形成的铝空位散射声子，导致声子的平均自由程降低，所以AlN基板的热导率也会降低。

研究得出结论：AlN（氮化铝陶瓷）晶格中的缺陷种类和氧原子浓度有关。

●当氧浓度低于 0.75%时，氧原子均匀散布在AlN（氮化铝）晶格中，取代着AlN中氮原子的位置，铝空穴伴随而生；

●当氧浓度不低于 0.75%时，AlN（氮化铝陶瓷）晶格中的铝原子的位置会发生变化，铝空位消失，产生八面体缺陷；

★当氧原子浓度更高时，其晶格产生多型体、反演畴、含氧层错等延展缺陷。以热力学为切入点，研究发现氮化铝晶格中氧的量受铝酸盐反应吉布斯自由能|ΔG°|的影响，|ΔG°|越大，氮化铝晶格中的氧越少，因而就会有更高的热导率。

总结：由此可见AlN的热导率受氧杂质的影响较为严重，氧杂质的存在是其热导率降低的重要原因。

3，合适的烧结助剂可实现提高热导率

为了提高AlN热率，通常会选择在烧结时加入所需的助烧剂以达到降低烧结温度、去除晶格中的氧进而实现提高 AlN 热导率的目的。

目前关注较多的是多元复合烧结助剂的添加，经实验发现，在AlN中增加复合助烧剂Y2O3-Li2O、Y2O3-CaC2、Y2O3-CaF2、Y2O3-Dy2O3时，可以获得较为致密、氧杂质及第二相均较少的AlN样品。

总结：选择合适的复合体系的烧结助剂可以实现AlN较低的烧结温度和有效净化晶界，获得具有较高热导率的AlN（氮化铝陶瓷）。

参考来源：

1.大功率LED用高热导率氮化铝陶瓷基座的制备与封装研究-李宏伟

2.功率电子器件封装用氮化铝陶瓷基板覆铜的研究-陈科成