Use of aluminum nitride ceramic plates to ensure  the temperature stability of measurement amplifiers

Dovhal A.V.

doi:10.34185/1562-9945-6-155-2024-13

Автор(и)

Dovhal A.V.

DOI:

https://doi.org/10.34185/1562-9945-6-155-2024-13

Ключові слова:

нітридні алюмінати; керамічні плати; температурна стабільність; підсилювачі; оксид ітрію; оксид алюмінію; теплопровідність; високовольтний підсилювач.

Анотація

Актуальність теми дослідження. У статті розкрито принципи використання нітрид-алюмінієвих керамічних плат для забезпечення температурної стабільності вимірювальних підсилювачів. Зі збільшенням потужності електронних компонентів, що вимагають ефективного розсіювання тепла, виникає необхідність розробки матеріалів із високою теплопровідністю. Одним із таких матеріалів є нітрид алюмі-нію. Постановка проблеми. Попри широке застосування керамічних плат їх викорис-тання при розробці широкосмугових високовольтних підсилювачів ще не достатньо вивчено, залишаються прогалини в методах одержання стабільного керамічного ком-позиту на основі AlN. Мета статті полягає у одержанні температурно стабільних нітрид-алюмінієвих керамічних плат, які забезпечили б температурну стабільність вимірювальних підсилювачів Методи дослідження. Аналіз, експеримент. Результати. У статті представлені результати синтезу та технологія виготовлення кераміки із нітриду алюмінію. Встановлено, що введення у вихідну суміш різних доба-вок підвищує токсичність газоподібних викидів, ускладнює роботу і призводить до збільшення вартості нітриду алюмінію. Отримано вільним спіканням великогабаритні деталі (60×70×5 мм) теплопровідністю 160 Вт/(мК) з температурно стабільного ке-рамічного композиту на основі AlN для використання при розробці широкосмугового високовольтного підсилювача. Доведено, що найбільш ефективне видалення кисню з кристалічної решітки нітриду алюмінію досягається при еквівалентному співвідно-шенні оксиду ітрію в кількості 5%. Вивчено вплив добавки оксиду ітрію на тепло-провідність функціонального композиту з керамічною матрицею на основі нітриду алюмінію, одержаного вільним спіканням. Висновки. На підставі проведених до-сліджень зразків та аналізу отриманих даних можна стверджувати, що при викори-станні ітераційної корекції вплив статичної похибки може бути скомпенсований. Для використання ітераційної корекції система має бути стабільною і її параметри не по-винні змінюватись у часі. Запропоновано раціональний метод стабілізації параметрів для забезпечення спільного та однорідного температурного поля що буде впливати од-наково на всі компоненти шляхом використання високо теплопровідних матеріалів.

Посилання

Thermal conductivity of superhard materials / I.P. Fesenko, V.Z. Turkevich, V.I. Chasnyk and others. – Korsun-Shevchenkivskyi: FOP Maidachenko I.V., 2018. – 68 p. [In Ukrainian].

Tuz Yu.M. The method of determining the dynamic characteristics of thermocouples using a radio current pulse / Yu.M. Tuz, O.V. Kozyr, A.V. Porhun. // Information processing sys-tems. – 2016. – No. 6. - P. 164-166. [In Ukrainian].

Chen K. Ultrahigh Thermal Conductivity in Isotope-Enriched Cubic Boron Nitride / Chen K., Song B., Ravichandran N.K., Zheng Q., Chen X., Lee H., Sun H., Shi L. // Science. – 2020. – № 367. – РР. 555-559. [In English].

Chen Y. Influence of the Growth Temperature of AIN Nucleation Layeron AIN Template Grown by High-Temperature MOCVD / Chen Y., Song H., Li D., Sun X., Jiang H., Li Z., Miao G., Zhou Y. // Mater. Lett. – 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.09.096. [In English].

Cheng Z. Experimental Observation of High Intrinsic Thermal Conductivity of AlN / Cheng Z., Koh Y.R., Mamun A., Shi J., Bai T., Huynh K., Yates L., Graham S. // Phys. Rev. Mater. – 2020. – № 4. – РР. 044602. [In English].

Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, applications and technology / ed. by P.M. Martin. – Burlington; Oxford: William Andrew / Elsevier, 2010. – 936 p. [In English].

Kim N.-I. Piezoelectric Sensors Operatingat Very High Temperatures and in Extreme En-vironments Made of Flexible Ultrawide-Bandgap Single-Crystalline AlN Thin Films / Kim N.-I., Yarali M., Moradnia M., Aqib M., Liao C.-H., AlQatari F., Nong M., Ryou J.-H. // Adv. Funct. Mater. – 2023. – № 33. – Р. 2212538. [In English].

Koh Y.R. Bulk-like Intrinsic Phonon Thermal Conductivity of Micrometer Thick AlN Films / Koh Y.R., Cheng Z., Mamun A., BinHoque M.S., Liu Z., Bai T., Hussain K., Hopkins P.E. // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2020. – № 12. – Р. 29443−29450. [In English].

Neher M. Liquid Phase Formationin the System AlN-Al2O3-Y2O3. Part I. Experimental Investigations / Neher M., Hermann M., Fabrichnaya O., Pavlyuchkov D., Seifert H.J. // J. Eur. Ceram. Soc. – 2013. – vol. 33. – № 13-14. – РР. 2447-2455. [In English].

Okada G. Aluminum Nitride Ceramicasan Optically Stimulable Luminescence Dosimeter Plate / Okada G., Fukuda K., Kasap S., Yanagida T. // Photonics. – 2016. – vol. 3. – № 23. DOI: 10.3390/photonics3020023. [In English].

Pandit S. Impact of AlN Seed Layer on Microstructure and Piezoelectric Properties of YxAl1-xN (x=15%) ThinFilms / Pandit S., Schneider M., Berger C., Schwarz S., Schmid U. // Adv. Electron. Mater. – 2023. – № 9. – РР. 2200789. [In English].

Rauchenecker J. Additive Manufacturing of Aluminum Nitride Ceramics with High Thermal Conductivity Via Digital Light Processing / Rauchenecker J., Konegger T. // Open Ceramics. – 2022. – № 9. – Р. 100-215. DOI: 10.1016/j.oceram.2021.100215. [In English].

Shih H.Y. Low-Temperature Atomic Layer Epitaxy of AN Ultrathin Films by Layer-by-Layer Situ Atomic Layer Annealing / Shih H.Y., Lee W.H., Kao W.C., Chuang Y.C., Lin R.M., Lin H.C., Shiojiri M., Chen M.J. // Sci. Rep. – 2017. DOI: https://doi.org/10.1038/srep39717. [In English].

Signore M.A. Fabrication and Characterization of AlN-based Fexible Piezoelectric Pres-sure Sensor Integrated Intoan Implantable Artificial Pancreas / Signore M.A., Rescio G., De-Pascali C., Iacovacci V., Dario P., Leone A., Quaranta F., Francioso L. // Sci. Rep. – 2019. – № 9. – Р. 17130. [In English].

Signore M.A. Effect of Silicon-based Substrates and Deposition Type on Sputtered AlN Thin Films: Physical&Chemical Properties and Suitability for Piezoelectric Device Integra-tion / Signore M.A., Velardi L., DePascali C., Kuznetsova I., Blasi L., Biscaglia F., Quaranta F., Francioso L. // Appl. Surf. Sci. – 2022. – № 599. – РР. 154017. [In English].

Tuz Y.M. Power Measurementat Wireless Transmission of Electricityin the Frequency Range from 0.01 to 10 MHz / Tuz Y.M., Vdovychenko A.V. // Proc. International Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM). – Paris France, 2018. – РР. 8-13. [In English].

Xu R.L. Thermal Conductivity of Crystal line AlN and the Influence of Atomic-Scale Defects / Xu R.L., Muñoz Rojo M., Islam S., Sood A., Vareskic B., Katre A., Mingo N., Pop E. // J. Appl. Phys. – 2019. – № 126. – Р. 185105. [In English].

Zheng Q. Thermal Conductivity of GaN, 71GaN, and SiC from 150 to 850 K / Zheng Q., Li C., Rai A., H.Leach J., Broido D.A., Cahill D.G. // Phys. Rev. Mater. – 2019. – № 3. – Р. 014601. [In English].