Aluminiumnitrid-Keramikmaterialien – Alles, was Sie wissen müssen

Einführung

Aluminiumnitrid ist eines der besten Wärmeleitermaterialien weltweit. Es leitet nicht nur hervorragend Wärme in verschiedenen Anwendungen, sondern verfügt auch über die erforderliche Durchschlagfestigkeit, um ein hervorragender elektrischer Isolator zu sein. Kein Wunder also, dass es in so vielen Branchen immer beliebter wird und breite Anwendung findet. Im heutigen Artikel erfahren Sie mehr über die einzigartigen Eigenschaften, die Synthese und die Anwendungen dieses Materials. Aluminiumnitridmaterial und Aluminiumnitrid-Heizgeräte. Sie erfahren außerdem, wie Aluminiumnitrid hergestellt wird, welche Herausforderungen auftreten können und welche aktuellen Markttrends es bei Aluminiumnitridmaterial gibt.

Wofür wird Aluminiumnitrid verwendet?

Aluminiumnitrid ist ein außergewöhnlich hitzebeständiges Keramikmaterial aus Aluminium und Stickstoff. Es hat die chemische Formel AlN und eine geringe Atommasse, die kovalent gebunden ist. Diese kristalline, farblose Verbindung gilt als erstklassiger elektrischer Isolator und Halbleiter. Tatsächlich kann man heute nicht mehr über elektrische Isolierung und Wärmeleitfähigkeit sprechen, ohne AlN-Keramikmaterialien zu erwähnen. Sie gehören zu den besten Materialien für Anwendungen mit Hochleistungselektronik, Heizgeräten und Kühlkörpern, da sie Wärme unabhängig von der Temperatur, der sie ausgesetzt sind, mit beeindruckender Geschwindigkeit verteilen und ableiten können.

AlN ist ein festes Aluminiumnitrid, das hauptsächlich in der hexagonalen Wurtzit-Kristallform und der metastabilen kubischen Zinkblende-Phase vorkommt. Bei Raumtemperatur weist dieses Wurtzit-Aluminiumnitrid (w-AlN) eine Bandlücke von 6 eV auf, wodurch es effizient im tiefen Ultraviolettbereich für die Optoelektronik eingesetzt werden kann. Die einfache, aber leistungsstarke atomare Bindungsstruktur von AlN ist einer der Hauptgründe für seine hohe Wärmeleitfähigkeit von 320 W/mk-1. Verunreinigungen wie Sauerstoff verringern die Wärmeleitfähigkeit von AlN, während Dotierung die elektrische Leitfähigkeit des Materials erhöht. Interessanterweise kann Aluminiumnitrid verwendet werden, um den Stromverbrauch von Halbleitern zu senken, indem man sie damit schützt und beschichtet.

Eigenschaften von Aluminiumnitridmaterialien

Aluminiumnitrid-Keramikmaterial verfügt über viele einzigartige Eigenschaften, die es in vielen Bereichen herausragend und nützlich machen. Hier sind einige davon:

• Hohe Wärmeleitfähigkeit von 321 W/mk-1

• Hervorragender elektrischer Isolator

• Fähigkeit, auch bei hohen Temperaturen optimale Leistung zu erbringen.

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient von 5,6 x 10-6K-1.

• Hohe Druckfestigkeit, Härte und Temperaturwechselbeständigkeit.

• Hoher Schmelzpunkt von ca. 2.200 °C.

• Hohe Bandlücke von 6 eV, nur Berylliumoxid übertrifft sie.

• Zeigt aufgrund der hexagonalen Wurtzit-Kristallstruktur eine spontane Polarisation.

• Hohe Durchschlagfestigkeit mit einer Dielektrizitätskonstante von 8,6.

• Hohe Duktilität und Elastizitätsgrenze von 310 GPa.

• Beeindruckendes Transparenzfenster von 0,2 μm – 13,6 μm.

• Reibungslose Kompatibilität mit Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS).

• Hohe Beständigkeit gegen geschmolzene Metalle, Chloride, Salze und Laugen.

• Hat eine Dichte von 3,32 g/cm³.

• Besitzt eine spezifische Wärmekapazität von 780 J.Kg/K-1.

Synthese von Aluminiumnitridmaterial

Briegleb und Geuther waren die ersten Wissenschaftler, die 1862 Aluminiumnitrid synthetisierten (herstellten). Seitdem wird dieses wichtige Halbleitermaterial in vielen Industriezweigen synthetisiert. Aluminiumnitrid kann heute auf drei verschiedene Arten synthetisiert werden:

Carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid:

Dies ist die gängigste Methode zur Herstellung von hochreinem und wasserbeständigem Aluminiumnitrid. Bei dieser Methode wird Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxid unter einem Stickstoffgasstrom und Kohlenstoff, der hauptsächlich als Reduktionsmittel fungiert, auf eine Temperatur von bis zu 1.750 °C erhitzt.

Direktnitrierung von Aluminium:

AlN kann durch die direkte Reaktion von Aluminiumpulver und Stickstoffgas bei kontrollierter Temperatur und Stickstoffflussrate synthetisiert werden. Der Temperaturbereich für die Erwärmung liegt bei 650 °C.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):

Diese Methode funktioniert am besten bei Temperaturen im Bereich von 650 °C bis 750 °C. Bei dieser Methode wird unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise einem guten Vakuum, eine Aluminiumchloridverbindung (AlCl3) mit Ammoniakgas oder Stickstoff nitriert, um AlN zu erzeugen.

Anwendungen von Aluminiumnitridmaterialien

Die Anwendungen des Keramikmaterials Aluminiumnitrid erstrecken sich über viele Branchen, einige davon sind:

Elektronikindustrie

Sie können Aluminiumnitrid verwenden, um Kühlkörper für Hochleistungselektronik wie LED, Computer oder mobile Geräte herzustellen, die eine schnelle Wärmeableitung erfordern. Es kann auch für viele andere verwendet werden Mikroelektronik-Komponenten die hohe Dichten erfordern. HF-Filter, elektrische Isolatoren und akustische Wellensensoren verwenden alle AlN-Keramikmaterial.

Halbleiter

Aluminiumnitridsubstrate zeichnen sich durch eine einzigartige Kühlleistung aus, die bei anderen Halbleitermaterialien selten zu finden ist. Kein Wunder also, dass immer mehr Halbleiterhersteller Heizplatten, Laser, Klemmringe, Mikrowellengeräte und Chipträger aus AlN-Keramik herstellen.

Militär

Aufgrund ihrer hohen spezifischen Wärmekapazität und ihrer Fähigkeit, thermischen Schocks standzuhalten, können Sie AlN-Keramikmaterialien zur Herstellung von Militärwaffen und -fahrzeugen wie Panzern, Schleifmitteln und hochwertigen Kugeln verwenden.

Feuerfest

Einige Industriezweige nutzen mittlerweile die feuerfeste Eigenschaft von AlN zur Herstellung von Ofenauskleidungen, Tiegeln und Wärmeisolatoren, da Aluminiumnitrid problemlos mit hohen Temperaturen zurechtkommt und optimale Leistung bringt, ohne seine Form zu verlieren.

Transport- und Automobilindustrie

Radarsysteme, Leistungsmodule, Luft- und Raumfahrtgeräte, Autoersatzteile und Motoren können alle aus AlN-Keramikmaterialien hergestellt werden.

Herstellungsprozess von Aluminiumnitrid

Zur Herstellung von Aluminiumnitridteilen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die sich nach den Produktspezifikationen, den Produktionskosten und dem Anwendungszweck richten. Zu diesen Aluminiumnitrid-Herstellungsverfahren gehören unter anderem:

Kaltisostatisches Pressen (CIP)

Mit diesem Verfahren können Sie Aluminiumnitridteile herstellen, indem Sie auf allen Seiten des AlN-Pulvers gleichmäßigen Druck ausüben, bevor Sie schließlich mit der Aluminiumnitrid-Bearbeitung fortfahren. Mit diesem Verfahren entstehen Hochleistungswerkstoffe aus Aluminiumnitrid.

Keramik-Spritzguss (CIM)

Bei dieser Methode mischen Sie Ihr AlN-Pulver mit einem organischen Träger (Bindemittel) und gießen es in eine beliebige Form (je nach gewünschter Form). Anschließend entfernen Sie das Bindemittel und sintern es unter hohen Temperaturen und hohem Druck in die gewünschte Form. Das Sintern wird durchgeführt, um dem AlN-Material eine feste Dichte zu verleihen.

Niederdruck-Pulverspritzguss

Wenn Sie Kosten sparen und dennoch komplex geformtes AlN-Material herstellen möchten, ist dieses Verfahren die beste Wahl. Es ähnelt dem CIM-Verfahren, arbeitet jedoch bei niedrigem Druck. Allerdings kann Ihr AlN-Material Risse bekommen, wenn Sie den organischen Träger nicht ordnungsgemäß entfernen.

Bandguss

Mit diesem Verfahren erhalten Sie dichte Aluminiumnitridteile, die eine hohe Kompatibilität mit Metallelektroden aufweisen. Bei diesem Verfahren werden zunächst AlN-Pulver, Dispergiermittel, organischer Träger und ein Weichmacher sorgfältig gemischt. Anschließend wird es auf eine Unterlage gegossen. So entsteht ein glattes grünes Band, das Sie 2–3 Minuten lang bei bis zu 245 °C trocknen und sintern.

Präzisionsbearbeitung

Bei diesem Herstellungsverfahren für Aluminiumnitrid wird AlN mit hochpräzisen CNC-Maschinen geschliffen und geformt. Aufgrund der extremen Härte des Keramikmaterials AlN wird die Herstellung von Heizplatten aus Aluminiumnitrid jedoch zu einem anspruchsvollen Prozess. Übermäßige Vibrationen während der Bearbeitung können Ihre Schneidwerkzeuge und -maschinen beschädigen oder deren Effektivität aufgrund der hohen Druckfestigkeit dieser Aluminiumnitridteile erheblich beeinträchtigen. Daher können Sie zur Bearbeitung von Aluminiumnitridplatten ein effektiveres Werkzeug wie polykristallinen Diamant (PKD) verwenden, hauptsächlich aufgrund des Diamantanteils darin. Neben der zähen, harten Beschaffenheit von Aluminiumnitridplatten besteht eine weitere Herausforderung für Hersteller bei der Bearbeitung von Aluminiumnitrid-Heizplatten in der hohen Wärmeleitfähigkeit und Sprödigkeit des Materials. Dies bedeutet, dass es bei starker mechanischer Belastung reißen kann, wenn es nicht sachgemäß behandelt wird.

Eigenschaften von Aluminiumnitrid-Heizgeräten

Aluminiumnitrid-Heizelemente sind Heizelemente, die hauptsächlich aus Aluminiumnitrid hergestellt werden. Dank der einzigartigen thermischen und elektrischen Eigenschaften von AlN sind sie für hohe Temperaturen aller Art geeignet und bieten eine hervorragende Wärmeübertragung in jeder Anwendung. Einige der Eigenschaften von AlN-Heizelementen sind:

• Maximale Arbeitstemperatur von 1.000 °C.

• Sie verfügen über eine Heizgeschwindigkeit von etwa 115 °C pro Sekunde.

• Sie haben eine Dichte von 3,26 g/cm³.

• Sie haben eine Wärmeleitfähigkeit von 220 W/mk-1

• Maximale Wachsdichte von 155 W/cm²

• Sie besitzen eine Dicke von etwa 3 mm

Anwendungen von Aluminiumnitrid-Heizgeräten

Sie können Aluminiumnitrid für eine Vielzahl von Anwendungen verwenden, wie zum Beispiel:

Optoelektronik

Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Temperaturen zu bewältigen und Wärmeenergie zu kontrollieren, können Sie Aluminiumheizgeräte in der Optoelektronik zur Herstellung von Laserdioden, LED-Leuchten und anderer Mikroelektronik verwenden.

Halbleiterindustrie

Sie können Aluminiumnitrid-Heizgeräte für komplexe Aufgaben wie Epitaxie und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) verwenden, die eine Waferverarbeitung erfordern. Sie können damit auch Messgeräte in Halbleiterbauelementen testen.

Medizin

Aluminiumnitrid-Heizgeräte können auch in der Medizin zur DNA-Amplifikation eingesetzt werden. Diese AlN-Heizgeräte werden in der medizinischen Laborwissenschaft aufgrund ihrer präzisen Temperaturkontrolle zur Herstellung von Geräten für verschiedene hochkarätige Tests wie DNA und Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet.

Produktion von Heizplatten

Aus diesen Aluminiumheizkörpern lassen sich Heizplatten herstellen, mit denen Sie zu Hause Ihre Speisen erhitzen. Auch industrielle Heizplatten lassen sich daraus herstellen.

Chemie

Mit AlN-Heizgeräten können Sie Geräte herstellen, die für einen optimalen Betrieb sehr hohe Temperaturen benötigen. Einige dieser Geräte können in der Chemie für Chromatographie, Massenspektrometrie usw. eingesetzt werden.

Aktuelle Markttrends bei Aluminiumnitrid

Im Jahr 2023 betrug der globale Markt für Aluminiumnitrid etwas über 14 Billionen Tonnen (151 Millionen Tonnen). Verfolgt man die Markttrends im Jahr 2024, so ist ein deutlicher Anstieg von etwa 11,51 Billionen Tonnen (168 Millionen Tonnen) zu erwarten. Marktanalysten gehen davon aus, dass bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,61 Billionen Tonnen (14 Billionen Tonnen) bis 2030 aufgrund der gestiegenen globalen Nachfrage und des harten Wettbewerbs ein Marktwert von über 14 Billionen Tonnen (14 Billionen Tonnen) erwartet werden kann. Das nordamerikanische Unternehmen Surmet ist seitdem ein wichtiger Akteur in der AlN-Großproduktion und -Lieferung. Hier bei ggsceramics, Sie können auch hochwertige und preisgünstige Aluminiumnitrid-Heizgeräte, Aluminiumnitrid-Keramikmaterialien und Produkte Ihrer Wahl erwerben.

Häufig gestellte Fragen

Ist Aluminiumnitrid (AlN) ein explosiver Stoff?

Nein, normalerweise ist AlN eine chemisch inerte Verbindung. In Gegenwart von chlorierten Dämpfen und Säuren kann es jedoch explodieren.

Ist Aluminiumnitrid giftig?

Ja, AlN kann Ihnen ernsthaften Schaden zufügen, wenn Sie es verschlucken, einnehmen oder einatmen. Es kann entweder Haut- und Augenreizungen verursachen oder das Knochenmark und die Lunge schädigen.

Welches ist das bessere Halbleitermaterial: Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid?

Halbleitermaterialien für Hochleistungselektronik sind effektiver, wenn sie eine effiziente Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung gewährleisten. Aluminiumnitrid ist in dieser Hinsicht anderen Halbleitern aufgrund seiner extrem großen Bandlücke deutlich überlegen und liegt damit vor Siliziumkarbid (SiC).

Abschluss

Aluminiumnitrid-Keramikmaterial erschließt in der Halbleiterindustrie immer neue Wege. Von Aluminiumnitridplatten bis hin zu Aluminiumnitrid-Heizelementen und Kühlkörpern – die Anwendungen von AlN erstrecken sich bisher über zahlreiche Branchen. Es ist ein lohnender Sektor für Investitionen, und die Zukunft der Halbleiter ist mit Aluminiumnitrid an der Spitze zweifellos gesichert.