影響AlN陶瓷熱導率的各種因素

在300K下，AlN單晶材料理論熱導率高達319W/(m·K)，但是在實際生產過程中，由于材料的純度、內部缺陷（位錯、氣孔、雜質、點陣畸變）、晶粒取向和燒結工藝等各種因素的影響，其熱導率也會受影響，常常低于理論值。

單晶AlN的熱傳導機理是聲子傳熱，所以AlN的導熱性能可能主要受晶體中的晶界、界面、第二相、缺陷、電子及聲子本身對其散射控制的影響。由晶格固體振動論可知，聲子散射與熱導率λ的關系式為： 

λ=l/3cv

式中c為熱容，v為聲子平均速度，l為聲子平均自由程。從上式可知，氮化鋁的熱導率λ與聲子的平均自由程l成正比，l越大，熱導率越高。從微觀結構來看，聲子與聲子之間的相互作用、聲子與雜質、晶界缺陷的相互作用，均會引發散射，會對聲子的平均自由程產生影響，從而影響其熱導率。

總結：

AlN的微觀結構對其熱導率影響較大，若想獲得高熱導率的氮化鋁陶瓷，盡量要使氮化鋁晶體缺陷少，雜質含量少。

研究表明：AlN和氧的親和力很強，易氧化，導致其表面易生成氧化鋁膜，由于Al2O3中氧原子的溶入，取代了AlN中的氮原子的位置，產生了鋁空位，形成了氧缺陷，具體反應如下： 

Al2O3→2AlAl+3ON+VAl

式中ON為氧原子取代氮化鋁晶格中的氮的位置，VAl為鋁空位。形成的鋁空位散射聲子，導致聲子的平均自由程降低，所以AlN基板的熱導率也會降低。

研究得出結論：AlN晶格中的缺陷種類和氧原子濃度有關。

●當氧濃度低于 0.75%時，氧原子均勻散布在AlN晶格中，取代著AlN中氮原子的位置，鋁空穴伴隨而生；

●當氧濃度不低于 0.75%時，AlN晶格中的鋁原子的位置會發生變化，鋁空位消失，產生八面體缺陷；

★當氧原子濃度更高時，其晶格產生多型體、反演疇、含氧層錯等延展缺陷。以熱力學為切入點，研究發現氮化鋁晶格中氧的量受鋁酸鹽反應吉布斯自由能|ΔG°|的影響，|ΔG°|越大，氮化鋁晶格中的氧越少，因而就會有更高的熱導率。

總結：

由此可見AlN的熱導率受氧雜質的影響較為嚴重，氧雜質的存在是其熱導率降低的重要原因。

目前關注較多的是多元復合燒結助劑的添加，經實驗發現，在AlN中增加復合助燒劑Y2O3-Li2O、Y2O3-CaC2、Y2O3-CaF2、Y2O3-Dy2O3時，可以獲得較為致密、氧雜質及第二相均較少的AlN樣品。

總結：

選擇合適的復合體系的燒結助劑可以實現AlN較低的燒結溫度和有效凈化晶界，獲得具有較高熱導率的AlN。

參考來源：

1.大功率LED用高熱導率氮化鋁陶瓷基座的制備與封裝研究-李宏偉

2.功率電子器件封裝用氮化鋁陶瓷基板覆銅的研究-陳科成