氮化鋁的特性及熱傳導原理

2.4.1 氮化鋁的特性

氮化鋁屬於共價鍵化合物，六方晶形,纖維鋅礦型結構，晶格常數a⁰=3.111Å，

c⁰=4.980Å，基本結構是以一個鋁原子為中心，周圍環繞四個氮原子堆疊而成的變 形四形體，其中除了<001>方向的鋁-氮鍵較長外，其餘三個鋁-氮的鍵長相等，如 圖2-14所示[26]。晶體呈白色或灰白色，密度為3.26g/cm3，無熔點，在2450℃昇華，

熱硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。

圖2-14 氮化鋁結構示意圖[26]

在2000℃以內的非氧化性氣氛中具有良好的穩定性，其室溫強度雖不如氧化 鋁，但高溫強度比氧化鋁高，通常隨溫度升高，強度不發生變化，熱膨脹係數比 氧化鋁低，但導熱率是氧化鋁的2倍，因此氮化鋁具有優異的抗熱震性；還有許多 優異的特性如化學穩定性高、機械強度高，不但能應用在半導體上作為絕緣層與 封裝材料使用，也是積體電路構裝得最佳材料之一[27]。它的基本性能如下表 2-9[28]。

表2-8 氮化鋁的物理與化學特性表[27]

2.4.2 氮化鋁的熱傳導原理

氮化鋁的眾多特性中，以高熱傳導最受注目，因此關於氮化鋁的熱傳導率，

國內外都已做了大量研究。氮化鋁為共價鍵化合物，其本身為絕緣體，晶格中沒 有自由電子，因此不存在電子散射，其主要是藉由晶格的震動來傳遞能量。將晶 格震動之彈性波比擬為聲子(phonon)之運動，並以其材料中兩次折射間所走之平均 距離稱為平均自由路徑(λ)。熱傳導率和平均自由路徑之關係可由2-1式表示[29]。

k=c．v．λ/3 k : 熱傳導率。

c : 單位體積材料之比熱。

v : 聲子之速率。

λ : 平均自由路徑。

從2-1式可以看出，氮化鋁的熱傳導率K與聲子的平均自由路徑λ成正比，當平 均自由路徑高時，則聲子在材料中運動所受到的阻礙較小，熱傳導率也相對提高。

當陶瓷材料中存在缺陷時，會降低平均自由路徑，因而導致材料的熱傳導率降低。

氮化鋁的熱傳導率理論上可以達到320W/(m．K)，但是由於氮化鋁缺陷，如晶 格中的缺陷、空位、晶界、孔洞、雜質原子等原因。在Watari等的研究結果顯示，

有晶格的缺陷存在，在低溫時熱傳導率會隨著溫度增加而增加，在達到約300K時 為最高熱傳導率，之後隨著溫度增加而下降，其熱傳導率與溫度的關係如圖 2-15[30]。

圖2-15 氮化鋁的熱傳導率與溫度間之關係圖[30]

主要原因是鋁在空氣中容易氧化，表面形成氧化鋁(Al2O3)薄膜，氧容易進入 氮化鋁之晶格中並取代氮的位置，形成鋁金屬空位(vacancy)[31]，使聲子發生散射；

同時氧所造成的空位，會使聲子的散射截面增大，導致氮化鋁基板熱傳導率下降。

另外材料中的雜質或製作過程中之汙染都是造成晶格缺陷的原因[32][33]。由於缺 陷所造成的問題，使得氮化鋁實際上熱傳導率約下降為200W/(m．K)。因此如何因 應與降低晶格缺陷，提升氮化鋁熱傳導率，為氮化鋁製作的主要關鍵。