СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-9

В ВЕДЕНИЕ Современной тенденцией развития изделий электронной техники явля ется увеличение удельной тепловой мощности, что неизменно приводит к возникновению проблемы теплоот вода и необходимости снижения теп лового сопротивления цепи. Отвод тепла через подложку, на которой раз мещаются тепловыделяющие чипы, является простым и удобным сред ством снижения теплового сопротив ления цепи и, соответственно, темпе ратуры полупроводниковых элемен тов. Одним из важнейших вопросов при этом является выбор материалов с высокой теплопроводностью. В по следнее время керамика на основе нитрида алюминия (AlN) привлекает всё большее внимание в качестве перспективного теплопроводящего материала для использования в элек тронной технике при создании конст рукций силовых устройств, элемен тов Пельтье, светоизлучающих дио дов и СВЧ транзисторов. В таблице сравниваются типичные свойства че тырёх керамических материалов, ко СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2011 торые в настоящее время используют ся в электронных приборах в качест ве подложки. В связи с уникальным сочетанием физических свойств, на пример, высокой теплопроводности, высокого электрического сопротив ления и коэффициента теплового расширения (КТР), близкого к КТР кремния, нитрид алюминия (AlN) ста новится ключевым материалом, ис пользуемым в качестве подложки для электронных приборов высокой мощ ности. Хотя теоретическая теплопро водность кристаллического AlN при комнатной температуре, как полагают, достигает 319 Вт/мК, измеренные зна чения для поликристаллической ке рамики AlN находятся в диапазоне от самого низкого показателя 17 Вт/мК до самого высокого 285 Вт/мК. Этот диапазон является типичным для многих видов керамики с поликрис таллической структурой. Как и у мо нокристаллов, дефекты кристалли ческой решетки отдельных кристал лов у поликристаллической керамики играют доминирующую роль в меха низме теплопроводности. В целом теплопроводность поли кристаллической керамики ниже, чем теплопроводность входящих в её со став монокристаллов. Это снижение в значительной степени зависит от теп лопроводности и чистоты входящих в состав керамики материалов, разме ров зёрен исходных компонентов, количества спекающей добавки, а так же особенностей процесса спека ния, что является очень важным, по скольку указанные факторы влияют на микроструктуру керамики и, следо вательно, на механизм тепловой про водимости. Кроме того, снижение теп лопроводности у поликристалличес кой керамики происходит за счёт двух основных факторов: случайной ори ентации отдельных зёрен и распреде ления случайных дискретных вторич ных фаз. В настоящей работе предпринята попытка исследовать причины этого снижения и разработать технологи ческие процессы получения алюмо нитридной керамики с максималь ным коэффициентом теплопровод ности. П ОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Теплопроводность кристаллических структур уменьшается с ростом атом ного веса элемента. Имеется четыре признака идентификации кристаллов с высокой теплопроводностью: крис талл должен иметь низкий атомный вес, сильную связь между атомами, простую кристаллическую структуру, а также отсутствие дефектов кристал лической решётки и ангармонизма её колебаний. Известно [1], что только несколько кристаллов попадают в эту категорию. Большинство кристаллов, обладающих высокой теплопровод ностью, имеют алмазоподобнуюструк туру. К этому числу относятся такие ма териалы, как алмаз, графит, карбид бо ра, нитрид бора, кремний, карбид кремния, оксид бериллия, нитрид алю миния, фосфид галлия и другие – все го 12 алмазоподобных структур. Причиной низкой теплопроводнос ти спечённого поликристаллического нитрида алюминия является, главным Электрофизические характеристики керамических материалов из оксида алюминия (Al 2 O 3 ), карбида кремния (SiC), нитрида алюминия (AlN) и оксида бериллия (BeO) по данным отечественных и зарубежных источников Разработка керамики на основе нитрида алюминия для изделий электронной техники Юрий Непочатов, Анастасия Земницкая, Павел Муль (г. Новосибирск) С увеличением мощности электронных компонентов, требующих эффективного рассеяния тепла, возникает необходимость разработки материалов с высокой теплопроводностью. Одним из таких материалов является нитрид алюминия. В настоящей работе представлены результаты разработки составов и технологии изготовления керамики из нитрида алюминия. Физические свойства Al 2 O 3 SiC AlN BeO Теплопроводность при 25°С, Вт/мК 20...30 150 160...240 220...240 Прочность на изгиб, МПа 300...350 320...350 250...300 170...230 Электрическая прочность при 25°С, кВ/мм 14...18 0,07 14...17 10 Удельное электросопротивление при 25°С, Ом см >10 14 >10 14 >10 14 >10 14 Диэлектрическая постоянная при 25°С на частоте 1 МГц 8,5...10 40...42 8,8...8,9 6,5...6,7 Тангенс угла диэлектрических потерь ( × 10 –4 ) на частоте 1 МГц 2...3 500 1...5 1...5 Коэффициент температурного линейного расширения ( × 10 –6 /°С) в диапазоне температур 25…400°С (для кремния 3,5…4,0 × 10 –6 /°С) 6,7...7,3 3,7 4,3...4,6 7,5...8,0 Плотность, г/см 3 3,97 3,21 3,26 3,01 Модуль Юнга, ГПа 378 460 343 378 © СТА-ПРЕСС