氮化鋁ALN理論熱導率為320W/(m·K)， 為何應用于陶瓷中卻很難達到？

氮化鋁（AlN）作為一種先進陶瓷材料，其理論上的熱導率高達320W/(m·K)，然而實際生產中卻難以完全達到這一數值，這背后隱藏著多重原因。

傳統上，大功率混合集成電路多采用Al?O?和BeO陶瓷作為基板材料。然而，Al?O?雖成本低廉，但其熱導率較低，且熱膨脹系數與硅材料不匹配，影響了器件的性能。另一方面，BeO盡管綜合性能卓越，但高昂的生產成本及劇毒性極大地限制了其廣泛應用。因此，從性能提升、成本控制及環保需求等多維度考量，這兩種材料已難以滿足現代電子器件發展的需求。

氮化鋁陶瓷以其獨特的綜合性能脫穎而出，成為新一代備受矚目的材料。其高熱導率、低介電常數與損耗、優異的電絕緣性以及與硅相匹配的熱膨脹系數，加之無毒特性，使之成為高密度、大功率及高速集成電路基板與封裝的理想選擇。然而，氮化鋁的高熱導率這一顯著特性，在實際應用中卻常因多種因素而未能充分發揮。

首要原因在于氮化鋁材料中的雜質與缺陷。氮化鋁粉末中常含有氧、碳等雜質元素，以及少量的金屬離子雜質，這些雜質在晶格中引入各種缺陷，如點缺陷、線缺陷等，這些缺陷會增強聲子的散射效應，從而顯著降低材料的熱導率。特別是氧元素，由于氮化鋁易于水解和氧化，表面易形成Al?O?層，進一步加劇了晶格中的缺陷程度。

進一步分析，聲子的平均自由程（l）是決定材料熱導率的關鍵因素。在氮化鋁中，晶體的缺陷、晶界、空洞、電子以及聲子間的相互作用都會引發聲子散射，縮短聲子的平均自由程，進而影響熱導率。特別是氧雜質，不僅因其高置換可溶性易形成氧缺陷，還會在更高濃度下形成更為復雜的延展缺陷，如含氧層錯、反演疇等，這些均顯著增加了聲子的散射截面，降低了氮化鋁的熱導率。

綜上所述，氮化鋁中氧雜質及其他缺陷的存在，是導致其實際熱導率遠低于理論值的主要原因。因此，在氮化鋁的制備過程中，嚴格控制原料純度，優化燒結工藝，減少晶格缺陷，是提高氮化鋁熱導率的關鍵途徑。