AlN セラミックの熱伝導率に影響を与える要因は何ですか?

窒化アルミニウムセラミックスの独自の利点

従来のアルミナ（Al₂O₃）セラミックスと比較して、 窒化アルミニウム（AlN）セラミックス 次のような際立った利点があります。

AlNの最大の利点は、その極めて高い熱伝導率です。理論値は320 W/(m·K)に達し、これはアルミナの5～10倍に相当します。これは、同じ動作条件下で、AlNセラミックスがより高い熱流束密度に耐えられることを意味します。パッケージ基板やケースとして、AlNセラミックスは特に高出力チップやモジュールの放熱に効果的です。AlN金属セラミック発熱体（AlNセラミックヒーター）を使用すると、急速加熱が可能になります。 静電チャック （静電チャック）により、吸着したウェハの急速な予熱・加熱が可能です。

AlNの熱膨張係数（CTE）はわずか4.3 ppm/Kと低く、シリコンチップ（3.5～4.0 ppm/K）に近い値です。つまり、シリコンチップとAlNセラミックスの間には、自然で高い熱膨張係数の整合性があり、パッケージングの信頼性を本質的に向上させます。

さらに、AlN セラミックは、アルミナセラミックに匹敵する機械的特性、電気的性能、耐腐食性を備えています。

AlN セラミックは、高い熱伝導性、低い熱膨張、高い強度、化学腐食耐性を兼ね備えており、特に大規模集積回路や高性能電子デバイスの用途に最適な放熱材料です。

AlNセラミックスの熱伝導率に影響を与える要因

AlNセラミックスは絶縁体であるため、電子および光子による熱伝達の寄与はごくわずかです。主な熱伝達機構はフォノン（格子振動）伝導です。AlNセラミックス中のAl-N結合は高い結合エネルギーと短い結合長を有しており、その結果フォノンの伝播速度が速くなり、高い熱伝導率が得られます。

AlNの理論上の熱伝導率は320 W/(m·K)に達しますが、現在、230 W/(m·K)までの熱伝導率を持つAlNセラミックスを製造できる企業はごくわずかです。市販製品の実際の熱伝導率は通常150～180 W/(m·K)の範囲です。AlNセラミックスの熱伝導率に影響を与える要因は以下のとおりです。

微視的な視点から見ると、結晶構造における粒界、界面、二次相、欠陥、そしてフォノン散乱はすべてフォノン透過に影響を与えます。実用的経験から、AlNセラミックスの熱伝導率に影響を与える主な要因は、格子密度、酸素含有量、原料粉末の純度、そして微細構造です。

1、密度

密度の低い試料には多数の細孔が含まれており、フォノンが散乱して平均自由行程が短縮するため、AlNセラミックスの熱伝導率が低下します。さらに、低密度試料は特定の用途において機械的性能要件を満たさない場合があります。

2、酸素含有量

AlNと酸素の強い親和性により、AlNの表面は空気や湿気にさらされると容易に酸化され、アルミナ膜を形成します。これによりアルミニウム空孔と酸素欠陥が生じ、焼結中にAlN格子に拡散する可能性があります。これらの欠陥がAlN結晶ネットワーク全体に広がると、フォノンの平均自由行程が減少し、熱伝導率が低下します。

3、格子欠陥

研究により、AlN (窒化アルミニウムセラミック) 格子の欠陥の種類は酸素原子の濃度に関連していることが判明しました。

酸素濃度が 0.75% 未満の場合、酸素原子は AlN 格子内に均一に分散し、窒素原子を置換してアルミニウム空孔を生成します。

酸素濃度が 0.75% 以上になると、AlN 格子内のアルミニウム原子の位置がシフトし、アルミニウムの空孔がなくなり、八面体欠陥が生成されます。

酸素濃度が高くなると、格子にポリタイプ、反転ドメイン、酸素含有積層欠陥などの拡張欠陥が発生します。

AlNセラミックスの熱伝導率向上策

1、密度を高める

セラミックスの焼結密度を高めるには、微粒子で焼結性の高いマイクロ/ナノ粉末を使用したり、焼結助剤を組み込んだり、高エネルギーの物理的焼結法を採用したりします。

2、酸素含有量と内部欠陥の低減

高純度で低酸素の原料粉末を選定します。原料粉末の保管および半製品の成形においては、湿気への曝露を避けてください。また、雰囲気焼結中の酸素濃度を厳密に管理します。

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厦門ジュチテクノロジーは、 AlN粉末 そして AlNセラミックス製造 中国で製造されています。当社の製品は優れた熱伝導性、電気絶縁性、機械的強度を特徴としており、電子パッケージ、半導体、LED放熱などの分野で広く使用されています。高度な製造プロセスと厳格な品質管理により、高い信頼性を実現しています。 AlN基板、構造コンポーネント、および高度な製造業をサポートするカスタマイズされたソリューションを提供します。

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