Conductividad térmica del nitruro de aluminio: aspectos a tener en cuenta

El nitruro de aluminio ha impulsado su participación en la ciencia gracias a los avances en cerámica. El AlN ofrece una excelente conductividad térmica y aislamiento eléctrico. Además, el AlN no presenta riesgos para la salud de los trabajadores durante el mecanizado. Por lo tanto, se considera superior a otras cerámicas de la competencia.

Propiedades del AlN: Una guía rápida de referencia

Aquí tienes una guía rápida para conocer todas las propiedades del nitruro de aluminio. La tabla te ayudará a comprender el contexto del uso del AlN.

¿Cómo se sintetiza el nitruro de aluminio?

El nitruro de aluminio se puede producir mediante la nitruración directa de la alúmina. Otra forma de producción es la reducción térmica de la alúmina por carbonato. Los enlaces covalentes del AlN son muy fuertes, lo que dificulta su sinterización. Para la fabricación de AlN mediante sinterización, el material requiere aditivos líquidos especiales.

Existen varios métodos para producir cerámica avanzada. La producción global de cerámica de nitruro se realiza principalmente mediante prensado isostático o prensado en seco. Otros métodos incluyen el moldeo por inyección de cerámica o el moldeo por inyección a baja presión. El método de sinterización de AlN incluye la sinterización por plasma de chispa, la sinterización sin presión y la sinterización por microondas.

El proceso de conformado de la cerámica de nitruro se divide en dos tipos: el seco y el húmedo. El conformado en seco puede ser convencional e isostático en frío. El conformado en húmedo se utiliza para producir formas complejas. Los métodos incluyen la colada en gel, la colada en cinta y el moldeo por inyección.

Detalle de las propiedades físicas del nitruro de aluminio

El nitruro de aluminio, como su nombre indica, es nitruro en su forma sólida, compuesto de alúmina. Presenta una banda prohibida amplia. Su baja masa atómica y sus enlaces interatómicos elevados le confieren resistencia a la cerámica. Generalmente sigue la estructura cristalina de la wurtzita y también presenta una fase cúbica metaestable.

La conductividad térmica del aluminio oscila entre 150 y 320 W/m·K. La conductividad eléctrica del nitruro de aluminio oscila entre 10-11 y 10-13. Al doparse, la conductividad se reduce a 10-5 o 10-6. El aluminio en su fase wurtzita tiene aplicaciones en la electrónica óptica.

El AlN es estable a altas temperaturas, de alrededor de 2200 °C. Su morfología consiste en capas de óxido en la superficie que protegen el material a una temperatura de trabajo de 1370 °C. En cuanto a la resistencia a la corrosión, es susceptible a los ataques de álcalis y ácidos minerales. Sin embargo, la cerámica de nitruro es resistente a los ataques de sales fundidas.

Propiedades del AlN: un vistazo

A continuación se presenta un resumen rápido de las principales propiedades del AlN.

• Alta temperatura de operación

• Excelente conductividad térmica que es 5 veces mayor que la alúmina.

• El valor CTE de Aln es bajo

• El valor de la constante dieléctrica es menor

• Buena resistividad eléctrica y propiedades de aislamiento.

• Buena resistencia a la compresión

• Buena resistencia a la corrosión excepto ácidos y álcalis.

• La pureza del AlN es más alta

CTE de nitruro de aluminio

El coeficiente de expansión térmica nos da una idea clara del comportamiento térmico del material. Las cerámicas avanzadas son conocidas por su menor expansión térmica. El valor del CTE nos indica cómo se expande el material bajo la temperatura aplicada. Sin embargo, al aplicar calor, la estructura atómica se mantiene estable cuando el material se expande.

En comparación con los metales, las cerámicas avanzadas como el AlN tienen la mitad del coeficiente de expansión térmica de un metal. El menor valor del CTE les permite conservar la resistencia mecánica a la compresión. En términos de expansión térmica, la zirconia y la alúmina ocupan los primeros puestos, mientras que el nitruro de silicio y el carburo ocupan los últimos.

 El CTE del nitruro de aluminio está en el rango de 5,3 a 4,2 (x 10-6) K-1 a lo largo de los ejes x y z en el rango de temperatura de trabajo de 300 K. El CTE del nitruro de aluminio se considera equivalente al silicio.

Coeficiente de expansión térmica y eficiencia del sustrato cerámico

Si bien el AlN destaca por sus propiedades de buena transferencia de temperatura y resistencia eléctrica, lo cual facilita la microelectrónica, veamos el impacto del CTE en el funcionamiento de los sustratos cerámicos basados en AlN.

Impacto de la expansión térmica en el sustrato DBC

El sustrato DBC contiene Aln o nitruro de silicio unido al cobre. Las diferencias de expansión térmica entre Aln, Cu y SiN (4,5 ppm, 17 ppm y 3 ppm) provocan una alta tensión mecánica. Esta tensión induce grietas en la geometría. Estas grietas se forman como resultado de los ciclos de choque generados durante el calentamiento y enfriamiento de la cerámica.

Por lo tanto, la gestión del CET es crucial para el funcionamiento a largo plazo del sustrato cerámico. Anteriormente se ha presentado una comparación de los diferentes CET de diversos materiales cerámicos.

Conductividad térmica del nitruro de aluminio

La conductividad térmica se refiere a la capacidad de un material para transmitir la energía térmica a través de cualquier elemento. El AlN tiene una alta conductividad térmica. Además, posee una alta resistencia eléctrica, lo que lo convierte en un excelente disipador de calor. La conductividad cerámica se ve influenciada por diversas propiedades.

La presencia de impurezas puede afectar considerablemente la transferencia de calor. Con el aumento de la impureza de oxígeno, se dice que la conductividad del AlN aumenta. Además, la cantidad de vacantes presentes en la red cristalina o las impurezas de silicio y carbono disminuyen la conductividad térmica.

Las propiedades térmicas del AlN pueden controlarse durante el propio proceso de producción. Los cambios en la microestructura y las diferentes condiciones durante el procesamiento contribuyen a variar el flujo térmico. El uso de polvos de alta pureza y la metodología empleada en la sinterización aumentan significativamente la conductividad térmica.

Conductividad térmica del AlN, ¿por qué se prefiere al BeO?

Tanto el BeO como el AlN son cerámicas con alta conductividad térmica, por lo que pueden utilizarse en aplicaciones de alta temperatura. Exploremos cómo el AlN supera al BeO.

Óxido de berilio (BeO)

La conductividad térmica de Beo se encuentra en el rango de 330 W/Mk. Se emplean principalmente en situaciones donde la gestión del calor es crucial. El óxido de berilio, gracias a su conductividad competitiva, se utiliza como sustrato y aislante. Otra aplicación incluye la fabricación de tubos en microondas, donde la estabilidad térmica es fundamental.

El problema del BeO es su toxicidad. El óxido de berilio es peligroso y requiere una manipulación cuidadosa. El reciclaje y la reutilización de la cerámica resultan bastante problemáticos en lo que respecta a la manipulación del BeO.

Nitruro de aluminio (AlN)

La conductividad del nitruro de aluminio es comparativamente menor que la del BeO, en el rango de 170 a 210 W/mK. Donde se busca la no toxicidad, la cerámica de nitruro es la opción ideal. La cerámica ALN se utiliza en LED y electrónica de semiconductores para disipar el calor. El AlN se prefiere al BeO en aplicaciones de electrónica de potencia debido a sus ventajas.

El ALN posee una alta resistencia eléctrica y estabilidad térmica, lo que lo convierte en un excelente material aislante. El nitruro de aluminio se prefiere en aplicaciones de alta temperatura y se utiliza en suministros electrónicos de consumo para prevenir situaciones de manipulación insegura.

Conductividades de diversas cerámicas: una visión general

En el gráfico anterior se muestra una comparación de la conductividad de diferentes materiales cerámicos. Por regla general, se prefiere un material con menor conductividad como aislante eléctrico. De la tabla, la zirconia presenta una conductividad menor, lo que la hace adecuada como aislante. La conductividad térmica del AlN es muy alta, al igual que su disipación de calor.

Un uso destacado de la conductividad del AlN es en LED y diodos de alta potencia. Estos instrumentos suelen generar calor. La capacidad de disipación térmica del AlN ayuda a prevenir el sobrecalentamiento. Esto aumenta la fiabilidad y garantiza una mayor vida útil.

Las dos técnicas más populares utilizadas para medir la conductividad térmica de AlN son el método del hilo caliente y el método de tira caliente transitoria.

Uso industrial de AlN

A continuación se proporciona el uso industrial popular de la cerámica de nitruro de aluminio:

• RefractarioEl AlN es un buen refractario. Se utiliza como revestimiento de crisoles o como soporte estructural para moldes de fundición y accesorios relacionados.

• Sustrato electrónicoLos sustratos de AlN se utilizan como módulos multichip militares. Funcionan como placas de disipación de calor en electrónica de potencia, diodos láser y disipadores de calor de LED. Su capacidad de disipación de calor se atribuye a su mejor conductividad.

• AutomóvilesEl nitruro de aluminio se utiliza en motores de automóviles híbridos de encendido térmico y de gas. Son estables a altas temperaturas.

• Material de embalajeLos nitruros de aluminio son buenos materiales de embalaje que son resistentes al calor y duraderos.

Conclusión

La introducción del nitruro de aluminio ha garantizado una excelente funcionalidad en aplicaciones de ingeniería de alta temperatura. Su conductividad térmica superior a la de sus homólogos ha permitido la producción de componentes de disipación de calor eficientes en electrónica de potencia. En resumen, el nitruro de aluminio aumenta la vida útil y el rendimiento de los materiales.